建筑结构隔震技术研究进展

建筑结构隔震技术通过在建筑结构底部或中间楼层设置隔震装置,延长结构的自振周期,并提供适当的阻尼使得结构的响应大幅度减小,能够更有效地保护房屋结构以及室内设备的安全,可显著提升建筑震后功能可恢复能力。目前建筑结构隔震技术已经有较为成熟的技术产品和工程应用,已广泛应用于住宅、医院、学校、博物馆和图书馆等建筑中。随着《建设工程抗震管理条例》的颁布,预期隔震技术将有更广阔的应用场景。隔震建筑也将逐步从低层、简单建筑结构向高层、复杂建筑结构的方向发展。目前常用的隔震装置存在着抗拉能力不足、对竖向地震或竖向环境振动减振效果不足、控制频宽窄、适应性不足以及使用状态及损伤状态难以监测等问题。为此,众多学者针对以上问题进行了深入研究,开发了抗拉隔震支座、三维隔震(振)支座、半主动隔震支座和隔震支座的健康监测系统,为扩展隔震技术的应用范围提供了解决方法。目前,相关研究偏重于新型隔震装置的性能研究,未来应全面考虑新型隔震装置对于建筑的影响,提出配套的设计方法,并进行示范性工程应用,加快隔震技术的推广。

基于时程分析法的中美隔震设计对比研究

介绍了中国《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408—2021)(以下简称《隔标》)和美国Minimum design loads and associated criteria for buildings and other structures(ASCE 7-16)隔震设计的相关要求,并针对基于《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)(以下简称《抗规》)设计的某9度区近场隔震结构,进行了两国规范的设计对比。按《抗规》设计的隔震结构,仍然能满足《隔标》的设计要求。ASCE 7-16对于隔震支座考虑了老化和环境、测试、制造等因素引起的性能参数变化,并按隔震支座的上限及下限属性进行了结构设计。基于相同地震概率水准(50年超越概率2%)的设计对比研究表明,ASCE 7-16的等效侧力法计算值高于《隔标》,按ASCE 7-16要求选择的地震波反应谱明显高于《隔标》,其时程分析结果也大于中国规范,对隔震支座的性能要求更高。

地震动平动与转动分量耦合作用对隔震结构动力响应的影响

为分析地震动摇摆和扭转分量对隔震结构的动力响应影响,建立5层隔震钢框架结构模型,对比有限元分析结果与振动台试验实测数据,验证建模分析的精度。将地震动平动分量、平动分量耦合转动分量输入,分析隔震结构动力响应。结果表明:有、无速度脉冲的地震动平扭耦合与平摆耦合作用,均大于平动地震动单独作用的隔震结构动力响应;有速度脉冲的地震动平动耦合转动分量对隔震结构动力响应的影响,高于无速度脉冲的地震动平动耦合转动分量;平扭耦合作用的隔震层位移响应增幅大于平摆耦合作用。

混合基础隔震体系优化设计及性能

为解决基础隔震结构中隔震层位移需求过大的问题,提出了一种基础隔震结构(Base Isolated Structure,BIS)+串并联调谐质量阻尼器惯容器(Tuned Tandem Mass Damper-Inerter, TTMDI)的混合隔震体系。采用Bouc-Wen滞回模型模拟隔震层的非线性力-变形行为,基于随机等效线性化和模式搜索优化算法并考虑地震动模型,在频域内建立了BIS+TTMDI体系的优化设计框架。分别从鲁棒性、有效性、刚度和阻尼系数、冲程及对地震频率敏感性方面对BIS+TTMDI体系的性能进行评估,并与BIS+调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)、串并联调谐质量阻尼器(TunedTandemMassDamper,TTMD)和调谐质量阻尼器惯容器(TunedMass Damper-Inerter, TMDI)进行比较。通过对近场地震动下某七层混合基础隔震结构(包括BIS+TTMDI和BIS+TMDI体系)的动力弹塑性分析,评价了其减/隔震性能。结果表明:BIS+TTMDI体系具有最好的减/隔震性能和强鲁棒性;而且在BIS+TTMDI体系中TTMDI的总阻尼需求不到BIS+TMDI体系中TMDI的一半,因而更为经济实用。

电磁吸盘-摩擦摆复合隔震支座理论分析与试验研究

为解决摩擦摆支座在外部荷载激励下不具备抗拔性的缺点,基于电磁原理和半主动控制思想,提出了一种以电磁力为基础,结合传统摩擦摆的电磁吸盘-摩擦摆复合隔震支座(Electromagnetic Chuck-Friction Pendulum System,ECFPS)。介绍了该复合隔震支座的构造特点和耗能机制,并基于电磁原理推导出电磁吸盘吸力以及ECFPS的等效刚度、周期和等效阻尼比等理论公式,建立了ECFPS计算模型。设计并制作了一个缩尺比为1∶3的ECFPS试件,对不同输入电流、竖向荷载和不同位移幅值下的滞回性能进行了试验研究,探究了不同输入电流对抗拔性能的影响。试验结果表明:理论值与试验值吻合度较高,验证了理论公式推导的正确性;等效刚度和单位循环耗能变化明显,两者最大变化幅度分别为19.81%和28.16%;随着电磁吸盘输入电流的增大,ECFPS支座的抗拔性能提高,实现了支座竖向抗拔的功能。

基于声子晶体的周期性基础机器振动波衰减性能分析

文章利用COMSOL多物理场程序计算不同参数周期性基础的衰减域特性,探讨周期性基础对机器振动波的衰减和阻隔作用。利用商业有限元ABAQUS软件建立周期性基础机器振动有限元模型,对不同厚度、材料的周期性基础模型进行频域分析,得到周期性基础的频散关系;通过时程分析研究周期性基础机器的动力响应和振动衰减效果。结果表明:当输入波的频率处于周期性基础频率带隙内时,可以有效地减小上部机器的动力响应;当输入波的主频处于周期性基础频率带隙外时,无法减小上部机器的动力响应;不同厚度和材料的周期性基础的带隙以及对于上部机器振动的减振效果不同。研究结果为周期性基础在工业厂房机器减振中的应用提供了新的思路和方法。

基于深度学习的隔震构造节点检测方法

为提高隔震构造节点的检测效率和效果并实现其自动化检测,按构造做法将隔震构造节点分为设置水平隔震缝构造节点、设置竖向隔震缝构造节点和管线设置柔性连接构造节点3类.选取设置水平隔震缝的隔震构造节点,根据其检测要求和缺陷特征,提出了一种基于深度学习的隔震构造节点检测方法.通过实地拍摄国内128个隔震工程的隔震构造节点图像,建立并标定了隔震构造节点数据集,将深度残差网络模型与迁移学习技术相结合,构建了隔震构造节点检测模型.结果表明,该模型在测试集上的识别准确率达到98.4%,F_(1)分值为0.984,可较好地提取水平隔震缝特征,准确判断隔震构造节点是否存在水平隔震缝缺陷,从而实现设置水平隔震缝构造节点的自动检测.

百年文物宏恩医院隔震和顶升一体化研究

城市更新过程中文物建筑作为历史留存多被赋予新的使命,但在修缮改造中抗震加固由于范围广对文物建筑保护影响很大。对于位于高烈度区或者抗震安全需求高的文物建筑,需要合理解决建筑保护和抗震安全之间的矛盾。宏恩医院是上海市文物保护建筑,建成至今一直作为医疗场所使用,属抗震重点设防类建筑,但原结构存在体型不规则、结构转换、抗震承载力严重不足等多项抗震不利情况。为此,在文物保护基础上,对文物建筑抗震性能目标的确立、抗震加固方案比选、软土地基上隔震布置及效果评估、结构顶升阶段的安全控制以及隔震和顶升施工的结合等多个关键技术进行介绍。通过隔震顶升一体化和性能化设计实现了文物建筑抗震安全和最小干预的保护要求,对文物建筑的可持续利用和抗震韧性具有借鉴意义。

装配式隔震结构隔震节点抗震性能研究

分析装配式隔震结构设计、应用的目的,探讨隔震节点设计对于装配式隔震结构抗震性能的影响,以装配试件、现浇试件作为试验对象,进行试验设计,基于滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性系数以及累积滞变能量,评价其抗震性能。

基于等效线性化的SISC隔震框架结构动力响应分析

为探究采用废旧轮胎隔震垫(STP)制成的柱下新型隔震装置(SISC)在村镇框架结构中的隔震效果,通过SAP2000建立隔震与非隔震三层框架结构模型,利用简化计算方法进行初步布置,采用反应谱法及时程分析法对比了隔震前后层间剪力比,并进行了上部结构的动力响应分析。结果表明:简化计算方法、振型分解反应谱法及时程分析法得到的底部剪力比分别为0.4207、0.4091、0.4491;隔震结构较非隔震结构自振周期延长2~3倍,由时程分析法可得隔震结构中上部结构层间位移角、顶层加速度较非隔震结构最大分别降低86.48%、49.26%,均满足规范限值要求,上部结构整体呈现平动;SISC隔震框架结构按照简化计算方法进行SISC初步布置具有可行性,该研究成果为STP隔震体系在村镇框架结构中的实际应用提供参考。

高烈度区框-筒结构组合减隔震抗震性能研究

随着社会经济发展,我国高层建筑数量与日俱增,减震、隔震技术逐渐在高层结构中应用,并且提出了减震、隔震装置联合使用的新型组合减隔震技术。本文为研究高层组合减隔震结构中阻尼器布置位置对隔震效果的影响,针对高烈度区某框架-核心筒结构采取传统抗震、隔震、隔震-隔震层减震和隔震-非隔震层减震4种抗震方案,并选取7条地震波,通过Perform-3D软件对其分别进行罕遇地震和极罕遇地震下的弹塑性时程分析。对比结构宏观指标发现:相比隔震结构,组合减隔震结构能有效降低地震响应;黏滞阻尼器设置在非隔震层的组合减隔震结构抗震效果最佳,提高了结构安全度。

铅芯隔震橡胶支座关键抗震性能参数极低温效应试验研究

中国北方部分地区冬季易受到极寒气候的影响,研究铅芯隔震橡胶支座在此环境下的性能变化规律和规范适用性,对结构抗震安全性具有非常重要的意义。对3种不同形状的铅芯隔震橡胶支座,分别进行了不同温度(-60~40℃)和不同低温暴露时间(1、2、7 d)下的剪切性能试验,得出了支座的关键抗震性能参数(特征强度、水平等效刚度、屈服后刚度和等效阻尼比)随温度和低温暴露时间的变化规律。研究表明:支座形状对铅芯隔震橡胶支座的低温隔震性能影响较小;而橡胶配比在极低温时的影响至关重要;在满足各项性能需求的前提下,低温减隔震支座宜优先选择剪切模量较小的支座;支座的关键抗震性能参数在低温暴露时间约为2 d时达到一个相对稳定的状态。

隔震装置阻尼机构的参数设计与振动台试验

为了改善浮放物体隔震装置中阻尼力的施加方式,研制出一款阻尼机构。对其构造和工作机理进行阐述,推导出了它的力学特征表达式,并验证了分析模型的准确性。结合某文物隔震装置的目标性能,利用数值方法对阻尼机构的参数进行设计,并对比振动台试验。结果表明:该阻尼机构结构简单,性能稳定;经阻尼参数优化后的隔震装置在满足位移限值的情况下达到了设定的隔震目标;试验与数值分析结果相吻合,证明了阻尼机构参数设计的正确性,同时也检验了隔震装置的安装和运行质量。其中,试验与数值分析结果的吻合程度,尤其是位移时程曲线的吻合程度,可为浮放物体隔震装置的方案对比和质量评估提供思路。

曲线轨道式隔震装置的结构优化与应用研究

针对浮放物体的防震保护需求,研发出一款基于新型抗侧移组件的曲线轨道式隔震装置。阐述它的构造特点和运行机制,并依据结构原理制作模型,通过试验与理论对比来检验模型的运行质量进而验证方案的可行性。然后结合雨花阁内文物来设计样机,采用多条楼面波进行样机的振动台试验,测试其隔震效果。最后探讨建筑滤波效应对该类隔震装置设计的影响。研究结果表明:曲线轨道式隔震装置经优化后不仅零部件功能清晰,结构简单易加工,而且具备整体性强、运行质量高以及后期可扩展等优势。试验模型的零部件能充分发挥各自功能,尤其是抗侧移组件极大提高了模型的稳定性和可靠性,理论分析与试验结果吻合良好。结合案例所设计的样机虽具有较好的隔震性能,但限于非线性双自由度的结构特点,重复试验的响应结果存在差异,工程应用中应予以重视。当楼面波不易获取且隔震装置周期远离建筑自振周期时,依据楼面加速度放大系数,将调幅后的原始波作为隔震装置设计依据是可行的且结果偏保守。

非线性准零刚度文物隔震系统动力特性分析

为实现地震时浮放文物的安全防护,对一种非线性准零刚度隔震系统进行动力分析。构建隔震系统的刚度模型与运动平衡方程,使用谐波平衡法与牛顿迭代联合法进行理论分析,并使用四阶龙格-库塔(Runge-Kutta,R-K)数值分析法对运动平衡方程在简谐激励和地震动激励作用下进行数值分析。结果表明:非线性准零刚度文物隔震系统在简谐激励作用下,在外激励频率为低频阶段时,系统的响应存在不稳定区域,提高系统的阻尼比和刚度都会降低系统的不稳定区域范围以及系统的振幅响应峰值,使其趋于线性隔震系统的特征;增加系统的阻尼比可以降低隔震系统的有效起始频率,但在隔震有效频带范围内增加系统的阻尼比会使系统的传递系数增大;增加弹簧刚度会增大隔震系统有效初始频率,但可以降低系统在低频阶段的振幅响应,但在隔震系统有效频带范围内会增大系统的传递系数。数值分析表明隔震系统在不稳定区域范围内只存在2个稳定解,系统的响应状态与系统初始状态相关;系统在实际地震动激励作用下能显著降低输入地震动的加速度响应;隔震系统的减震系数对于长周期成分较少的地震动输入峰值变化不敏感,但对于长周期成分较多的地震动输入峰值变化较为敏感,表明系统对于短周期地震动的隔震性能更好,与在简谐激励作用下的理论分析结果一致。

循环剪切作用下土工袋组合体动力特性试验研究

土工袋具有承载力高、阻尼大、造价低等诸多优点,是一种适用于村镇地区中、低层房屋的减/隔震材料。通过开展室内循环剪切试验对土工袋组合体的剪切应力⁃剪切应变关系、动力特性参数以及抗剪强度进行分析讨论,探究不同竖向应力与剪切应变幅值条件下土工袋组合体动剪切模量与等效阻尼比的变化规律,同时研究了循环次数对土工袋组合体动力特性参数以及抗剪强度参数的影响。试验结果表明:在小变形情况下,土工袋组合体的峰值剪切应力和动剪切模量随着循环次数的增加而逐渐增大,等效阻尼比则随着循环次数的增加而逐渐减小;在大变形情况下,土工袋组合体发生层间滑移并出现界面软化现象,此时的峰值剪切应力(抗剪强度)随着循环次数的增加而逐渐减小,动力特性参数随循环次数的变化与小变形情况下完全相反。随着循环次数的增加,土工袋组合体的抗剪强度参数似摩擦角逐渐减小,似黏聚力逐渐增大并趋于稳定。在剪切应变幅值较大的情况下,土工袋组合体通过袋内土体的剪切变形以及土工袋层间滑移产生摩擦耗能,具有较好的减振消能效果。

三维隔震钢框架结构及内部非结构构件地震易损性研究

该文以三维隔震钢框架结构为研究对象,提出上部结构、隔震支座与滑移型设备、倾覆型设备、吊顶三类非结构构件的抗震性能量化指标,基于增量动力分析,从结构与非结构2个方面研究三维隔震结构地震易损性。基于研究案例,结果表明:三维隔震结构与水平隔震结构的结构易损性接近,两者在远场地震时结构易损性低于非隔震结构,但高强度近场地震作用时由于过大的支座位移则可能高于非隔震结构。如9度罕遇地震作用时,三维隔震结构与非隔震结构对应立即使用状态的超越概率分别为90%、80%。三维隔震结构中滑移型设备的易损性低于非隔震结构,略高于水平隔震结构。三维隔震结构与水平隔震结构均可有效降低倾覆型设备的倾覆概率,在PGA为0.8 g时倾覆概率仅为7%,且前者相比后者可显著降低倾覆型设备的摇摆角。非隔震结构与水平隔震结构中吊顶地震易损性均较高,而三维隔震结构可显著降低吊顶的易损性,近场8度罕遇地震作用下吊顶对应充分运行的超越概率仅为1%。

三水准地震下隔震结构提离摇摆界限谱模型研究及试验验证

准确评价隔震结构的摇摆响应状态是判断地震作用下隔震支座是否稳定以及结构是否安全的重要基础。根据支座的不同受力变形状态,提出隔震结构的摇摆界限状态,即未提离、提离和摇摆状态,并提出了基于刚体摇摆模型的状态判别方法。通过地震时程分析,讨论了高宽比AR、竖向屈重比α_(v)、水平屈重比α_(h)、竖向周期T_(v)、水平周期T_(h)、系统阻尼比η等参数对隔震结构摇摆响应的影响,得到了隔震结构未提离、提离、摇摆的界限谱以及各参数对界限谱的影响规律,并通过两个振动台试验进行验证。分析结果表明,摇摆响应随α_(v),T_(h),η的增加而减小,随AR,T_(v)增加而增大,其中T_(v),T_(h)对摇摆响应的影响最大,控制摇摆响应最关键的措施是增加T_(h)、减小T_(v)。

摩擦摆支座在软弱夹层场地地下结构中的减震效果分析

较一般成层场地而言,软弱夹层场地中地下结构抗震与减震问题更为突出。以双层双跨矩形框架地铁车站结构为研究对象,基于有限元软件ABAQUS,建立土-结构体系的静动力耦合有限元分析模型,研究软弱夹层对地铁车站结构的地震响应规律的影响,并对比分析了设置摩擦摆支座的车站结构在均质场地和软弱夹层场地的减震效果。结果表明:软弱夹层穿越地铁车站结构时,结构的整体和中柱的变形以及中柱底部的内力会大幅度增加,且随着夹层厚度增加,结构变形和内力的增加幅度更为明显。在中柱顶部设置摩擦摆支座,中柱的最大位移以及内力值均减小,且软弱夹层场地中摩擦摆支座的减震效果要明显优于一般均质场地,建议在软弱夹层场地地下结构中采用摩擦摆支座进行减震设计。

自复位刚性滑板隔震支座水平力学性能研究

介绍了自复位刚性滑板隔震支座的基本构成和隔震原理,基于力学平衡原理,对自复位刚性滑板隔震支座进行了理论分析,推导了支座的等效刚度,构造了支座的滞回模型,探讨了支座的回复特性。使用电液伺服压剪试验机测试了支座在低周往复荷载作用下的滞回特性及回复能力。采用ABAQUS软件模拟支座在水平位移激励作用下的滞回特性及回复能力。结果表明:数值模拟结果和试验结果较吻合;自复位刚性滑板隔震支座的滞回性能良好,压力越大,滞回曲线越饱满;该支座往复加载过程的最大应力位于刚性滑块的中心位置,处于弹性范围内;该支座的自复位能力与滑动面摩擦系数呈反相关,与回复橡胶的剪切模量呈正相关。