基础隔震结构附加变化型调谐质量惯容阻尼器的优化设计研究

在强震作用下基础隔震结构的隔震层将发生非常大的水平变形。已有研究表明采用在基础隔震结构的隔震层附加变化型调谐质量阻尼器(VTMD)的混合控制策略能够有效降低隔震层的水平变形需求,然而该混合控制策略最大的缺陷在于需要很大的调谐质量。考虑到惯容装置具有明显的质量放大效应,本文提出将惯容装置(Inerter)与VTMD中的阻尼器并联,从而形成具有较小调谐质量的变化型调谐质量惯容阻尼器(VTMDI),并将其附加在基础隔震结构的隔震层,基于随机振动的分析框架开展了VTMDI参数的优化设计研究。研究表明直接将基础隔震结构的上部结构层间变形作为优化目标的传统优化策略并不经济有效。为此,本文提出了一种基于两步优化法的优化策略,该优化策略首先确保附加VTMDI的基础隔震结构相对于附加相同阻尼的基础隔震结构具有更优的控制效果;然后确保附加VTMDI的基础隔震结构的上部结构层间变形最小。通过动力时程分析结果表明:两种优化策略都能有效降低隔震层的水平变形和上部结构的层间变形,同时不会导致调谐质量出现过大的运动行程,基于两步优化法的优化策略更为经济有效。

超大地震作用下基于直接设计法的基础隔震结构抗震性能分析——以2023年土耳其地震为例

2023年2月6日土耳其发生了7.8级地震,其破坏力远超一般地震,造成了大量建筑物发生严重破坏甚至倒塌。通过对部分台站地震记录所进行的反应谱分析初步表明,该次土耳其地震的强度远远超出了目前中国抗震规范所规定的最高设防标准。因此,基于中国规范设计的基础隔震结构在该次土耳其地震作用下能否保持良好的抗震性能亟待研究。基于以上分析,该文选取采用了铅芯橡胶隔震支座的6层、8层和10层基础隔震结构为研究对象,将各结构简化为集中质量的多自由度串联模型,并使用《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408-2021)提出的直接设计法进行了结构设计。以土耳其地震的部分台站记录作为输入激励,同时作为对比选择了22条规范9度罕遇等级的普通远场地震开展了广泛的参数研究。研究结果表明:基于中国抗震规范最高设防等级的基础隔震结构在规范9度罕遇地震作用下,结构的安全性和正常使用功能能够得到有效保证;在该次土耳其地震作用下,有相当部分情况的基础隔震结构会发生严重破坏甚至倒塌,结构变形和楼层加速度响应远超一般的常规地震;增大隔震系统周期能够有效降低上部结构变形、楼层加速度和隔震层变形;增大隔震系统屈重比虽然可以在一定程度上控制上部结构变形和隔震层变形,但是对于楼层加速度的控制是不利的。

设置负刚度装置的基础隔震结构动力特性和地震响应研究

在基础隔震结构的隔震层设置负刚度装置可调节结构动力特性及抗震性能。针对隔震层设置预压弹簧导致的非线性问题,首先采用泰勒级数展开对力-位移关系进行线性拟合,并对比研究设置预压弹簧纯负刚度元件(PNS)和阻尼负刚度装置(NSD)的基础隔震结构频域响应特性。进一步,利用小波分析对实际近断层地震激励进行时频分析,并采用解析模式分解方法将地震动分解为高频和低频成分,并分别计算高频地震波和低频地震波作用下设置PNS和NSD对基础隔震结构地震响应的影响。结果表明,与未设置负刚度装置的基础隔震结构相比,设置PNS会使得高频激励下的位移和加速度响应减小,但是低频激励下的位移和加速度响应会增大;而设置NSD不仅可以大幅降低基础隔震结构的位移和加速度频响函数峰值,并且能在很宽的频段范围内减小基础隔震结构的位移响应。

长周期地震动作用下基础隔震结构抗倾覆能力研究

对极限高宽比的基础隔震结构进行地震响应分析,探究常规地震动与长周期地震动的差异,并从隔震层位移、隔震层拉应力以及结构的抗倾覆力矩比3种导致结构倾覆的参数入手,分析基础隔震结构在长周期地震动作用下的倾覆情况。首先,选取近断层脉冲型长周期地震动和远场类简谐长周期地震动各9条。其次,建立3种不同烈度区下极限高宽比限值时的框架隔震结构模型,分析不同设防烈度下罕遇地震对基础隔震结构隔震层支座水平变位与轴向受力的影响,以及罕遇地震时结构的抗倾覆力矩比。最后,修正高宽比限值简化公式,计算出长周期地震动作用下的理论高宽比限值,根据限值修正结构高宽比后再进行地震响应分析。研究结果表明:在长周期罕遇地震动作用下,基础隔震结构隔震支座位移量普遍超过允许限值,大量支座出现拉应力,其中部分支座拉应力超过允许限值,隔震层受到严重破坏;少数情况下结构抗倾覆比小于1.2,结构有倾覆可能;结合简化公式给出长周期地震动作用下高宽比建议值。

变刚度地基上基础隔震结构动力学特性变化规律试验研究

基于饱和砂性土地基动孔压比变化对地基刚度的影响规律,通过控制输入地震动持时压缩比和强度的方法,提出了变刚度地基上隔震结构振动台模型试验方法,并结合已完成的不同地基上土-桩-隔震结构系列振动台模型试验,分析了地基刚度变化对基础隔震结构动力学特性的影响规律。结果表明,随着结构-土体相对刚度比的增大,变刚度地基上基础隔震结构一阶自振频率降低,但体系阻尼比明显增大,尤其是隔震层的隔震效率发生了明显的降低。变刚度地基上结构-土体相对刚度比显著影响隔震结构楼层加速度反应和层间位移反应,强震下结构-土体相对刚度比越大,隔震结构楼层加速度反应和层间位移反应较刚性地基时增大越显著。基于系列振动台模型试验结果,初步给出了基于结构-土体相对刚度比的小高宽比隔震结构模型周期延长率、阻尼比、层间位移角SSI影响率以及隔震层位移SSI影响率的预测公式,该研究结果有助于推动结构隔震技术的更广泛应用。

考虑支座转角的地基不均匀沉降基础隔震结构地震响应分析

地基不均匀沉降可能会引起沉降范围内部分隔震支座发生转动,造成隔震层刚度发生变化,进而导致上部结构地震损伤和失效风险增大。针对地基不均匀沉降条件下基础隔震结构地震响应研究,现有成果大都通过施加平动位移进行模拟,并未考虑隔震支座转角的不利影响。为了研究地基不均匀沉降条件下基础隔震结构支座可能出现的转动及其对整体结构地震响应特征影响规律,首先以隔震支座为对象,研究了支座转动变形与叠层橡胶隔震支座水平刚度变化关系,建立了叠层橡胶隔震支座转角与水平刚度变化关系函数;在此基础上系统研究了地基不均匀沉降条件下整体基础隔震结构响应特征,以及基础结构的减震系数变化规律,以期揭示地基不均匀沉降对基础隔震结构地震响应影响机理。结果表明:隔震支座转角变形会引起隔震结构体系地震响应发生显著变化,随着隔震支座转角增大,隔震层水平刚度增大的同时隔震结构体系变形能力减弱,进而造成上部结构加速度响应增大,位移响应减小,导致基础隔震结构水平减震系数增大,减震效果低于预期;当转角接近π/2时,隔震支座将丧失降低上部结构地震响应的作用,原隔震结构将退化为抗震结构;对于存在地基不均匀沉降的基础隔震结构,应及时采取必要措施控制地震响应,以防范上部结构发生倾覆。

火灾作用下钢筋混凝土基础隔震结构连续倒塌分析

为了得到火灾发生后基础隔震结构倒塌性能,先进行了铅芯橡胶隔震支座在高温下力学性能的研究。通过ABAQUS有限元软件,建立了铅芯橡胶隔震支座和基础隔震框架的有限元模型并进行热力耦合分析。分析了火灾高温下橡胶隔震支座竖向刚度变化规律以及基础隔震框架结构的倒塌机制、应力状态、变形规律和塑性铰分布规律。结果表明:铅芯橡胶隔震支座的竖向刚度随受火时间的增长而逐渐降低,受火75 min时完全失去承载力;基础隔震框架不同位置支座受火时,框架呈现不同的应力、变形状态;边支座和内部双支座受火时,框架发生连续倒塌。

高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程损伤红外探测技术

为了更准确地通过红外探测技术呈现结构损伤程度,完善基础隔震结构施工工程的易损性分析,修正基础隔震结构损伤指标,提出了高层框架剪力墙基础隔震结构施工工程损伤红外探测技术。根据基础隔震结构施工工程损伤参数均值,构建了基础隔震结构施工工程损伤概率需求模型,利用对数正态分布函数,计算了基础隔震结构损伤指标对数均值和对数标准差,完成基础隔震结构施工工程的易损性分析,通过标准化处理基础隔震结构施工工程损伤的红外定位指标,修正了基础隔震结构损伤指标,利用基础隔震结构损伤的红外判定指标,红外判定基础隔震结构施工工程损伤位置,结合基础隔震结构施工工程损伤红外探测算法设计,实现了基础隔震结构施工工程损伤的红外探测。试验结果表明,在基础隔震结构施工工程损伤的红外探测中,红外探测精度可以达到90%以上。

TMD在基础隔震结构地震响应控制中的应用分析

文章对TMD在减小基础隔震结构地震响应方面进行了系统研究。首先,将基础隔震结构的上部结构简化为单自由度;然后以等效简化模型为基础,以隔震层相对基础的均方根值位移最小为原则,对TMD进行了数值优化设计;最后采用TMD的优化频率和阻尼,对该基础隔震结构进行了地震时程分析,评价了基础隔震结构的位移、加速度和层间剪力。研究结果表明:TMD能够减小基础隔震结构的地震响应,并且随着TMD质量的增加,减震效果提升,且均方根减震率普遍高于峰值减震率。研究成果可为用TMD减小隔震结构的地震响应提供理论上的参考。

基础隔震结构随机地震响应分析的复模态法

本文对多自由度基础隔震结构的随机地震响应问题进行了系统研究 ,首先建立了运动方程 ,然后用第一振型将上部结构展开 ,针对所得方程为非经典阻尼、非对称质量和非对称刚度情况 ,用复模态法解耦 ,获得了以第一振型表示的结构地震响应的解析解 ,对单自由度体系 ,此解即为结构响应的精确解 ,从而建立了两自由度体系在任意非经典阻尼与非对称质量和刚度情况下随机地震响应解析解分析的一般方法。本文方法也可用于带TMD减震结构、无损伤“加层减震”

地震动频谱特性对基础隔震结构双向地震响应的影响

为掌握地震动频谱特性对基础隔震结构双向地震响应的影响,采用地震动峰值加速度与峰值速度的比值(PGA/PGV)代表频谱特性,选取9条不同频谱特性的地震波,对铅芯叠层橡胶基础隔震结构进行了双向地震响应非线性时程分析,基于PGA/PGV值的变化来分析地震动频谱特性对基础隔震结构双向地震反应分析结果的影响。分析结果表明:随PGA/PGV增大,加速度减震率整体上呈增大趋势;隔震层位移、剪力均随PGA/PGV增大而减小,并逐渐终趋于平缓。此外,频谱特性对结构地震响应的的影响,还受结构自振周期的影响,应综合考虑。

近断层脉冲地震动对基础隔震结构放大效应的量化分析

为量化分析近断层脉冲地震动对基础隔震结构的地震放大效应,建立多层和高层两个基础隔震结构模型,根据隔震结构基本周期,采用基于能量的脉冲量化识别方法,得到40条脉冲地震动,并剔除其中的主脉冲,产生40条非脉冲地震动。将这80条地震动分别输入两个隔震结构,量化分析脉冲地震动对其层间位移角、楼层剪力、楼层加速度和隔震层位移的放大效应。结果表明:脉冲地震动作用下基础隔震结构的反应明显大于非脉冲地震动,脉冲地震动对隔震层位移放大系数最大,而楼层加速度放大系数对脉冲地震动比较敏感,呈现出波浪形的变化特征。两个隔震结构所得到的隔震层位移的放大系数平均值约为2.0,层间位移角、楼层剪力、楼层加速度的放大系数平均值约为1.5。

多维地震动作用下摩擦摆基础隔震结构能量反应分析

对摩擦摆基础隔震结构进行了能量反应分析,研究了多维地震动、地震烈度和支座摩擦系数对结构能量反应的影响,表明水平双向地震动输入时结构总输入能量明显增大,隔震层滞回耗能比增大,上部结构变形耗能比减小;而竖向地震动的参与使结构总输入能量略有增大,隔震层滞回耗能比减小,上部结构变形耗能比增大;随着地震动强度的提高,结构的总输入能量显著增大,隔震层滞回耗能比增大,上部结构变形耗能比减小;随着支座摩擦系数的增大,结构的总输入能量明显增大,隔震层滞回耗能比减小,上部结构的变形耗能比增大。

考虑非比例阻尼的基础隔震结构非线性反应谱研究

对于基础隔震结构而言,其上部结构和隔震层的阻尼特性截然不同,往往呈现出明显的非比例阻尼特性。因此,有必要建立一种考虑非比例阻尼的隔震结构实用计算方法以便于推广和应用。通过用双自由度振动体系模拟基础隔震结构,在建立运动方程时考虑其非比例阻尼效应。通过对该简化模型进行动力时程分析,得到其在近场及远场地震记录作用下考虑非比例阻尼与瑞利阻尼的反应谱,并通过曲线拟合得到了非比例阻尼反应谱和瑞利阻尼反应谱的谱比值与结构自振周期之间的关系式。然后对某实际隔震工程进行地震响应分析,验证所提公式的合理性。

铅芯叠层橡胶支座基础隔震结构双向地震反应分析

本文对铅芯叠层橡胶支座双向耦合恢复力模型进行了改进,采用基础隔震结构动力分析程序DABIS对铅芯叠层橡胶支座基础隔震结构进行了单向及双向地震反应对比分析。结果表明,在单向和双向地震作用下,基础隔震结构的加速度反应和位移反应较为接近,但在双向地震作用下,支座的最大位移明显大于单向地震作用时的支座最大位移,因而在确定支座最大位移时应考虑双向地震作用的影响。

基础隔震结构健康监测系统的设计与实现(Ⅱ):系统实现

作为保障工程安全和研究结构灾变机理的重要手段,结构健康监测为研究基础隔震技术在实际工程应用中的问题提供了技术保证。基于"基础隔震结构健康监测系统的设计与实现(Ⅰ):系统设计"中的设计方法,研究某超长基础隔震结构健康监测系统的总体设计、传感器选型与测点布设、数据采集与传输方案及数据库结构设计,并对该系统已获取的监测数据进行初步分析。分析结果表明,该基础隔震结构健康监测系统协调运行状态良好,能实现其预期功能。基于性能状态评价指标对该结构状态进行评价,表明该基础隔震结构性能状态良好。

基础隔震结构基于位移的设计方法

介绍了直接基于位移的设计方法 ,并将其引入到基础隔震结构的设计中 ,提出了隔震结构基于位移设计的位移指标和设计准则 ,建立了设计位移反应谱 ,给出了设计步骤和实例 .结果表明 。

支座摩擦系数对摩擦摆基础隔震结构地震反应的影响

对不同地震烈度作用下的摩擦摆基础隔震结构进行了地震反应分析,分析了支座摩擦系数对支座位移、楼层加速度和楼层剪力的影响。结果表明随着摩擦摆支座摩擦系数的增大,支座位移逐渐减小,而结构的加速度和楼层剪力逐渐增大;随着地震作用强度的提高,摩擦系数对支座位移的影响逐渐增大,而摩擦系数对结构加速度和楼层剪力的影响逐渐减小。

基础隔震结构简化模型的振动参数识别

针对目前隔震工程设计中模型简化方面存在的不足，以隔震体系上部结构层间剪力和隔震层位移这两个主要指标等效为目标函数，用多目标优化算法建立了等代体系刚度及质量的参数识别数字模型，并针对工程设计需要，导出了等代参数的简化计算表达式。工程实例计算表明，用本文简化模型分析得到的上述两个指标结果与原结构的响应时程曲线基本吻合，时域响应峰值的相对误差小于３％。

基础隔震结构的能力谱分析方法

能力谱法是一种简单而有效的对结构性能进行评估的静力弹塑性方法。本文将该方法引入到基础隔震结构性能评估中，并充分考虑了基础隔震结构的特点，对应用中的力学模型、横向水平力分布形式、需求谱建立及评估指标等问题进行了分析。最后给出了一个实际算例，并用时程分析法进行检验，证明该方法有一定的可靠性。