考虑竖向地震作用的LRB隔震结构优化设计

为了研究竖向地震作用对LRB隔震结构的影响,并改善其隔震效果,建立了耦合地震作用下LRB隔震结构的地震反应分析模型并推导出运动微分方程.以7层LRB隔震结构为例进行地震反应分析,研究结果表明当考虑竖向地震作用时,LRB隔震结构仍具有良好的隔震效果,但地震反应有不同程度的增加,且其增量随着竖向地震作用的增加而增加.建立LRB隔震装置的参数优化设计模型,采用IHGA程序对结构的进行优化设计.结果表明,LRB隔震结构在各种工况下的各项地震反应均得到更好地控制.

考虑上部结构非线性的LRB基础隔震建筑结构动力特性研究

以两自由度体系的LRB基础隔震建筑结构为对象,在同时考虑LRB隔震系统以及上部结构非线性的基础上,提出综合利用Fourier级数展开、谐波平衡法以及梯度法对该两自由度体系在简谐地震动激励作用下的稳态响应进行求解的方法。以此为基础通过参数分析对考虑上部结构非线性的LRB基础建筑结构的动力特性进行研究并发现:非线性上部结构基底固定时,随着结构延性的增加,结构的耗能能力也随之增加,而且结构自身的频率随之降低,远离发生共振的频率,从而有效地抑制结构延性的快速增加;非线性上部结构自身频率的变化并不会根本改变整个LRB基础隔震建筑结构的频率,由于低频的简谐地震动激励限制非线性上部结构自身的耗能能力,从而导致在激励幅值不断增加的情况下,上部结构的延性需求急剧增加。

LRB基础隔震结构在近断层脉冲型地震作用下的动力响应研究

对LRB(Lead Rubber Bearing)基础隔震结构在近断层脉冲型地震作用下的动力响应进行了系统参数研究。考虑到近断层脉冲型地震动记录数量的有限性,为了参数研究的方便,提出了人工合成近断层脉冲型地震动的方法,即以实际的常规地震波(即远场地震)为底波,在此基础上叠加上等效脉冲模型来模拟近断层脉冲型地震;以此为输入,系统研究比较了在近断层脉冲型地震和常规地震作用下,LRB基础隔震结构的动力反应特性、不同的近断层脉冲型类型以及近断层脉冲型地震动参数和LRB隔震系统力学性能对上部结构最大绝对加速度和隔震层最大位移的影响。研究表明:LRB基础隔震结构在近断层脉冲型地震作用下,上部结构最大绝对加速度和隔震层最大位移与常规地震作用下相比,均有较大增加,隔震范围有一定减小;近断层地震动的脉冲类型,以及脉冲周期对LRB基础隔震结构的动力反应有很大的影响。

LRB基础隔震结构在极罕遇地震作用下的碰撞响应研究

随着极罕遇地震作用的引入,有必要探讨基础隔震结构在极罕遇地震作用下是否还具有良好的抗震性能。采用改进的Kelvin碰撞分析模型和双线性恢复力模型,建立基础隔震结构与周围挡土墙碰撞的运动方程,用MATLAB进行非线性时程分析。基于非线性时程分析的结果,研究基础隔震结构在极罕遇地震作用下的碰撞响应。比较考虑碰撞和不考虑碰撞两种情况下,上部结构平均延性系数和隔震支座平均剪应变随隔震结构力学性能参数的变化曲线;不同碰撞参数下,上部结构平均延性系数和隔震支座平均剪应变随隔震结构力学性能参数的变化曲线。结果表明基础隔震结构在极罕遇地震作用下的碰撞控制了隔震支座的剪应变,但加剧了上部结构的动力响应。提高上部结构或者隔震体系的屈服承载力可以降低上部结构的碰撞响应,增加隔震缝宽度、提高隔震体系屈服承载力或者隔震支座直径可以降低碰撞发生的概率。

基础隔震结构的系统参数优化设计

目的为了改善基础隔震结构的减震效果,实现基础隔震结构设计的可靠性和有效性,得到基础隔震结构的系统优化参数.方法建立了基础隔震结构的动力分析模型,推导出其运动微分方程;对标准遗传算法经常出现未成熟收敛、振荡、随机性太大和迭代过程缓慢等缺点进行改善,提出了改进混合遗传算法;建立基础隔震结构系统参数优化设计模型,使用改进混合遗传算法对7层LRB隔震结构的系统参数进行优化设计.结果优化后,LRB隔震结构的相对加速度峰值、相对速度峰值、相对位移峰值和层间剪力峰值分别比优化前有不同程度的降低.结论工程实例计算结果表明改进混合遗传算法对基础隔震结构的系统参数优化效果比较理想,基础隔震结构的各项地震反应均得到了更好地控制.

考虑SSI效应的基础隔震结构隔震性能参数分析

目前规范中关于隔震结构的分析及设计均采用刚性地基假定,忽略地基土刚度的影响。基于此,本文以软土场地上的LRB(Lead Rubber Bearing)基础隔震结构为研究对象,首先提出了同时考虑地基动力响应的频率相关性与隔震层非线性的土与基础隔震结构系统简化模型。其次,利用反应谱分析的方法,揭示了屈重比、结构-地基刚度比、高宽比以及上部结构周期等参数对于系统水平向减震系数的影响规律。研究表明:软土地基上隔震结构存在最优屈重比,其值随上部结构周期增加而减小;地基土越软,隔震层的有效隔震效率越低;在软土地基上,对于周期较短的建筑能够达到更高的隔震目标,周期较长的建筑难以达到较高的隔震目标;地基土刚度对高宽比较小的结构影响较大。

基于结构设计的LRB基础隔震结构水平向减震系数研究

现行的建筑抗震设计规范(GB50011-2010)中隔震结构的上部结构地震作用计算采用水平向减震系数的方法,不同的水平向减震系数对应着隔震后上部结构水平地震作用所对应的烈度分档。由于水平向减震系数与基础隔震系统的力学性能参数密相关,但对于两者之间的变化规律所开展的研究较少。该文以目前国内外最为普遍的LRB基础隔震结构为研究对象,通过等效线性化和振型分解反应谱方法,建立起了LRB隔震系统力学性能参数和上部结构地震作用的水平向减震系数之间的数学关系式以及计算方法,提供给工程设计人员用于基础隔震结构的初步设计过程之中。通过参数研究发现:上部结构自振周期小于0.6s,可以实现隔震后上部结构的水平地震作用比非隔震时降低一度半,上部结构自振周期介于0.6s^1.0s之间,可以实现降低一度,上部结构自振周期大于1.0s,最多可以实现降低半度。

面向多级性能设防目标的铅芯橡胶隔震支座基础隔震结构优化设计及分析

根据我国现行建筑抗震设计规范的要求,对基础隔震结构设计时采用将隔震层与上部结构分离计算的方法（即分离式方法）,这种方法没有将设防地震作用下的水平向减震系数和罕遇地震作用下的隔震层水平变形这两方面的性能要求同时考虑,难以获得最优的隔震支座力学性能的需求参数以及用于上部结构设计的水平向减震系数。为此,以铅芯橡胶隔震支座（LRB）基础隔震结构为研究对象,采用两自由度体系的简化模型,基于等效线性化和振型分解反应谱法推导了LRB基础隔震系统力学性能参数与水平向减震系数、隔震层最大水平变形之间的简化公式,参数分析中发现,存在一个临界屈服强度比（即铅芯屈服剪力与LRB基础隔震结构总重力的比值）使得水平向减震系数取得最小值,而且当取值大于该临界屈服强度比时,水平向减震系数和隔震层最大水平变形这两个性能指标相互矛盾,无法同时取得最优解,为此将优化目标取为两性能目标的线性组合,从而确定最优屈服强度比,并根据最优屈服强度比所对应的水平向减震系数进行上部结构设计,从而建立面向多级性能设防目标的LRB基础隔震结构优化设计方法。算例分析表明,按照上述优化设计方法所得到的水平向减震系数和隔震层最大水平变形与时程分析结果基本相符,说明该方法合理可行。通过对比分析认为,采用面向多级性能设防目标的优化设计方法所设计的LRB基础隔震结构即使在巨震作用下也具有良好的抗震性能。

基于直接设计法的基础隔震结构抗震性能评估

新颁布的GB/T 51408—2021《建筑隔震设计标准》针对隔震结构的设计提出了直接设计法,对于基于直接设计法所设计的隔震结构,有必要研究隔震系统力学性能参数对于隔震结构地震响应特征及失效模式的影响。以铅芯橡胶隔震支座(LRB)基础隔震结构为研究对象,采用两自由度体系的简化模型,基于直接设计法和振型分解反应谱法推导了LRB隔震系统力学性能参数与上部结构地震作用和隔震层最大水平变形之间的简化计算式,探讨了LRB隔震系统的不同力学性能参数对采用直接设计法设计的隔震结构在罕遇地震和极罕遇地震作用下的地震响应特性及失效模式的影响,给出满足GB/T 51408—2021《建筑隔震设计标准》的隔震系统力学性能参数的合理区间。并通过设计算例评估了基于直接设计法设计的LRB基础隔震结构的抗震性能,验证了所确定的隔震系统力学性能参数合理区间的有效性,结果表明上部结构延性系数和隔震支座最大水平变形均满足GB/T 51408—2021的要求。

具备负刚度调谐惯容阻尼器的基础隔震结构优化设计和抗震性能研究

GB 18036—2015《中国地震动参数区划图》中规定中国目前最高的地震烈度为9度极罕遇地震,然而某些巨震反应谱甚至远超中国最高地震烈度对应的反应谱,为了应对巨震灾害,有必要发展巨震作用下更为有效的减震技术。为此,将调谐惯容阻尼器和负刚度弹簧结合,设计一种具备负刚度的调谐惯容阻尼器(TID_NS),研究基础隔震TID_NS结构的优化设计和抗震性能。考虑隔震层的非线性本构行为,采用随机线性化技术处理非线性项,并采用Clough-Penzien功率谱模型。将LRB基础隔震结构体系简化为两自由度体系,并在隔震层附加TID_NS结构,提出三种不同的优化策略,研究在不同附加负刚度比下不同优化策略对减震性能的影响。采用人工波和土耳其7.8级地震记录作为输入地震波,分别对隔震结构进行非线性时程分析,结果表明:附加负刚度的TID_NS结构可以同时降低上部结构层间位移、隔震层位移比和上部结构加速度,当附加负刚度比为-0.1时,TID_NS结构相对基础隔震结构可以降低结构动力响应约15%。