基于振动台试验的鱼线固定梅瓶文物响应规律性研究

为了探索鱼线固定梅瓶文物在实际博物馆的地震响应以及抗震效果,首先选取了典型梅瓶文物,并在三层钢筋混凝土框架结构中开展了24种地震工况的振动台试验,然后建立了上述试验所用梅瓶文物的有限元模型,验证了有限元模型的准确性,最后采用增量动力分析法分析了该文物在两种常见直径鱼线保护措施下的运动响应。结果表明:鱼线固定梅瓶文物在地震作用下会产生滑移、摇摆、倾覆以及鱼线断裂等现象;不同楼层下的文物响应差别较大,尤其在大震作用下,高楼层的鱼线固定梅瓶文物易发生倾覆和鱼线断裂破坏,要重视高楼层文物的震前保护措施;在较强的地震作用下,仅依靠增大鱼线直径有时对控制文物的倾覆情况起不到关键性决定作用,需要进一步采取其它措施对文物进行保护。

支架固定馆藏人物俑文物的抗震优化设计研究

为优化支架固定馆藏人物俑文物的抗震效果,选取不同尺寸和体态的典型地震易损人物俑文物复制品(武士俑和唐三彩人物俑),开展文物复制品-优化组合措施(支架和卡固件)抗震系统振动台试验,获得影响文物复制品运动状态的关键优化参数、文物复制品与支架相互作用规律,并检验组合措施对较大体积人物俑文物的抗震固定效果。建立文物复制品-组合措施相互作用系统数值分析模型,通过参数分析,获得支架与文物间安装缝隙、在安装缝隙内填充不同种类隔震垫对文物动力响应的影响、文物复制品与固定措施相互作用规律及采用独立支架/组合措施有效固定人物俑的最小支架尺寸,为兼顾安全性及最小干预原则的固定措施优化设计提供必要依据。结果表明:相比独立支架,组合措施能够有效降低人物俑文物动力响应,有效提高固定效果;为保证人物俑文物安全,建议支架与文物间安装缝隙不大于5 mm;在缝隙中填充橡胶垫及硅胶垫可使文物与支架间相互作用力降低50%~75%,有效防止文物局部损伤;当人物俑文物体型超过一定限值,独立支架不再适用,建议选择支架和随形卡固件组合措施。

水平地震作用下卡固件固定馆藏文物抗震效果评估方法研究

震害研究表明,博物馆内展示、收藏的浮放文物在地震中易发生损坏,博物馆工作人员经常依靠自身经验采用卡固件固定文物来保护文物在地震中不受损坏,但却缺乏科学的方法来评估该抗震措施的有效性和对文物地震安全性水平的提升程度。为对卡固件固定措施的抗震效果进行合理评估,该研究针对文物震损破坏模式,基于二项逻辑回归模型提出了以文物摇摆角和接触应力为综合判别指标的文物地震易损性分析方法,最终提出了通过风险卷积计算得出文物地震风险,从而评估卡固件固定措施抗震效果的方法。通过开展有限元算例分析,进一步解释、论述了所提出的评估方法,并利用所提出的方法对华北某博物馆内展陈的一件珍贵文物所采用的卡固件固定措施的抗震效果进行了评估,提出了合理的改进意见。研究结果表明:所提出的以概率风险分析为基础的评估方法可以量化卡固件固定措施的抗震效果,为卡固件固定措施的选择提供科学依据;所开展算例分析的计算流程及评估结果可为其它馆藏文物提供有效的参考。

地铁致某近代建筑振动分析及减隔振措施研究

地铁运行引起的振动通过土层传播,会对邻近建筑物产生不利影响。以某地铁沿线近代历史保护建筑为背景,依据建筑结构参数及土层实测数据建立“隧道⁃土体⁃保护建筑”精细化三维数值模型,并结合振动响应预测分析方法对地铁运行时建筑物振动响应进行评估。从振源减振及过程阻振两方面对其减振效果进行量化分析和参数优化研究。结果表明:在未采取减隔振措施的情况建筑物振动超限,优化轨道类型的减振效果最为显著,使用弹性长枕轨道时结构Z振级可降低8.2~11.2 dB;使用钢弹簧浮置板轨道可使结构Z振级降低14.9~18.9 dB。过程阻振措施中,隔振墙的隔振性能对墙体材料特性最为敏感,深度及厚度其次;其中EPE泡沫材质墙体隔振效果最优,可使结构Z振级降低10.6~11.5 dB,水平速度峰值约75%;增加隔振墙厚度及埋深在一定程度上提升了隔振性能,但隔振效果增量不显著。提出了一种快速计算隔振墙隔振效果的预测方法,该研究可为类似工程的振动分析以及减隔振措施设计提供参考依据。

土体-博物馆-展柜-文物全系统中地震传递规律研究

为得到作用在文物上真实的地震动特性,建立土体-博物馆-展柜-文物全系统模型和刚性地基(博物馆-展柜-文物)全系统模型,选取3条地震波调幅进行时程分析,通过加速度、位移和文物转角等参数分析考虑土-结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)的影响。以Ⅱ类场地为例,分析考虑土-结构相互作用下从土体到文物的震动传递规律,为判别文物在地震作用下的安全性提供更加准确的数据支持。结果表明:对结构而言,考虑SSI使算出的地震响应偏小。对展柜和文物而言,小震下考虑SSI使算出的地震响应偏小。但在中震和大震作用下,考虑SSI效应时展柜和文物的响应存在较多比刚性地基响应大的情况。基于保护文物的角度,在地震分析尤其是大震分析时应考虑SSI的影响。对Ⅱ类场地和4层钢筋混凝土框架结构,考虑SSI影响,在地震波从土体传递到文物这一过程中,大震下结构进入塑性,文物的动力放大系数最大值为5.70(含土体、结构、展柜的动力放大系数),最大滑移量129.69 mm,出现倾覆现象。各个传递环节频谱成分均有一定差别,结构、展柜及文物都会对地震波频谱产生影响,分析时应将每部分的影响都考虑进去。

某博物馆的地铁所致振动过程及阻振控制研究

以成都某博物馆新馆为背景,对地铁运行所致振动在传播路径上的控制措施进行研究。结合现场实测数据,分别对隔振沟、隔振桩、波阻板的减振效果进行量化研究及参数优化分析,得出最优减振目标。结果表明:隔振沟深度对减振效果影响显著,随着深度增大其减振效果逐渐增强,且在高频段振动衰减尤为明显;隔离桩深度介于15 m~27 m之间时,其减振量达1.4 dB~3.3 d B;增大波阻板的厚度可以显著增强减振效果,其中3 m厚波阻板可减振3.2dB左右,该研究可为地铁致结构振动的过程阻振控制提供参考依据。

加厚筏板基础建筑物底板对地铁所致振动的影响

为降低地铁运行所致临近建筑物振动的危害,提出了加厚筏板基础建筑物底板的减振方法,研究了加厚筏板基础建筑物底板的减振效果。建立“隧道-土体-建筑物”三维模型,通过实测数据和经验公式对所建模型及振源荷载进行验证。在此基础上,研究了在普通道床、弹性长枕道床、钢弹簧浮置板道床条件下加厚筏板基础建筑物底板的减振效果,并分析了建筑物中心距离地铁隧道中心的水平距离对加厚底板减振效果的影响。结果表明:加厚筏板基础建筑物底板可有效消耗地铁所致振动能量,从而降低邻近建筑物的振动响应;当地铁线路采用减振道床时,其减振作用会有一定减弱;加厚筏板基础建筑物底板的减振效果与建筑物距隧道中心线的水平距离有关,距离越近减振效果越好。最后提出了能快速计算加厚筏板基础建筑物底板减振效果的预测方法,该方法为地铁临近建筑物加厚底板的实施提供参考。

卡固件固定馆藏文物的抗震效果及优化设计研究

为评估博物馆中最常用的卡固件措施对馆藏文物的抗震固定效果并对此措施进行优化设计,开展较大尺寸、不同体型的典型地震易损文物复制品(瓷器梅瓶)-固定措施抗震系统在不同工况下的振动台试验,获得影响文物复制品运动状态的关键体型参数,并探讨采用独立卡固件固定较大尺寸文物的抗震有效性。基于试验结果,建立文物-固定措施抗震系统数值预测方法,开展关键影响因素的参数分析,获得地震作用下能够有效固定不同体型文物所需的最小卡固件尺寸,为兼顾安全性及最小干预原则的固定措施优化设计提供必要依据。结果表明:相比圆柱卡固件,随形卡固件可以有效固定更大尺寸的文物;对于重心位置较高的不均匀分布体型文物,高度、轮廓宽度、底面直径(面积)会显著影响其动力响应与相互作用行为,轮廓宽度/底面直径以及高度/底面直径越大摇摆响应越明显;为保证文物安全,建议卡固件与文物间安装缝隙不大于2 mm;在缝隙中填充橡胶垫及硅胶垫可使文物与卡固件间相互作用力降低60%~70%,有效防止文物受到局部损害;当文物体型超过一定限值时,独立卡固法不再适用,建议采取卡固件+鱼线组合固定措施;采用圆柱卡固件固定后与纯浮放状态相比摇摆响应增加的文物,宜采用随形卡固件或组合固定措施。

地震下高度不等的相邻框架结构碰撞的易损性分析

针对相邻结构在地震下避免碰撞的安全水平亟待量化的问题,提出了相邻结构在地震下发生碰撞的易损性分析方法.该方法以峰值地面加速度作为地震动强度指标,以相邻结构最大相对位移作为工程需求参数,基于相邻结构的非线性有限元模型开展增量动力分析,分别利用最大似然估计和回归分析,包括单参数线性回归、双参数线性回归和双线性回归,来确定易损性函数的参数.以层高相等的6层和5层相邻钢筋混凝土框架结构为例,对比分析了不同间距下采用不同方法所得地震下发生碰撞的易损性曲线;计算了6层和4层、6层和3层相邻结构的碰撞易损性,分析了不同楼层数与楼层高度对碰撞易损性结果的影响.研究结果表明:当峰值地面加速度较大时,通过双线性回归所得易损性曲线与蒙特卡罗法结果最为接近,且结构间距越大,二者越接近;其他两种回归方法所得易损性偏大,最大似然估计所得易损性最保守;层高不等的6层和5层相邻结构的碰撞易损性最大,层高相等的6层和4层相邻结构次之,表明当相邻结构的周期比和碰撞位置的影响达到平衡时,碰撞易损性最大.

地下高铁致结构振动全过程分析及隔振支座减隔振性能研究

地下高铁运行引起的振动通过周围地层传播会导致附近地下结构以及地上邻近建筑的二次振动,从而影响周边环境及建筑物的使用性能。以某商业综合建筑为背景,结合相关参数及现场实测数据建立“隧道—土体—建筑底板—上部结构”全过程三维有限元分析模型,计算地下高铁运行时结构振动响应。结合振动控制标准进行评估,并针对竖向隔振支座的减隔振效果进行研究。结果表明:在未采取减隔振措施的情况下临近地下高铁线路的综合商业建筑振动超限。设置竖向隔振支座能够有效抑制建筑结构的振动响应,不同参数的竖向隔振支座能够使建筑物楼板处的平均振级降低约4.2~7.6 dB。综合考虑减隔振效果及支座竖向变形,建议隔振支座阻尼比取值为0.01,竖向刚度取值为130 kN/mm。最后,得出竖向隔振支座参数取值设计方法,该设计方法可为后续工程应用提供必要的指导依据。

地铁所致成都博物馆振动振源减振研究

研究目的:成都博物馆紧邻地铁2号线,如果减振措施采取不当,地铁所致振动极有可能对博物馆正常使用产生影响。同时,为满足地铁通行条件下成都博物馆内文物振动安全的要求,结合实测数据,采用有限元软件MIDAS/GTS建立"浮置板-隧道-土体"三维有限元模型,选取隧道壁的竖向振动为控制参量,对浮置板、钢弹簧刚度和隧道壁厚度的减振效果进行量化分析和参数优化研究。研究结论:(1)浮置板具有阻碍高频、放大低频的减振特性,当其钢弹簧刚度为6 900 kN/m时,其综合减振效果达12.1 dB;(2)降低钢弹簧刚度可以有效降低隧道壁Z振级,弹簧刚度由9 000 kN/m降低到3 000 kN/m时,隧道壁Z振级降低了5.6 dB;(3)增加隧道壁厚度可以降低隧道壁Z振级,当隧道壁厚度由0.2 m增加到0.8 m时,隧道壁Z振级降低了2.7 dB,减振效果不明显;(4)该研究成果可为地铁所致振动的振源减震提供参考。

几何特性对空间相贯节点承载力影响

以XKK型空间相贯节点为例,应用有限元分析法对多组不同几何特性的XKK型节点进行比较,研究了影响空间节点承载力的主要参数、参数与承载力的关系以及几何特性对空间相贯节点承载力的影响,并对典型XKK型节点进行了弹塑性全过程屈曲分析,揭示了空间相贯节点塑性区的开展过程、应变分布规律及节点破坏模式.结果表明：提高支管与主管管径比、腹管与主管管径比可有效提高节点承载力;空间节点各管相贯角度对节点承载力影响较小;各管件径厚比宜控制在15-20之间;主管受压时其应力比不宜超过0.6;空间相贯节点具有较好的塑性变形能力,其破坏模式与节点几何特性密切相关.

叠层橡胶支座拉伸刚度退化机理研究

为研究剪切变形下叠层橡胶隔震支座拉伸刚度退化特性,分别建立双弹簧受拉模型与偏拉有效面积模型,并推导各截面形状及尺寸的拉伸刚度比公式。然后采用有限元软件ABAQUS建立支座模型,在模型验证的基础上,分析截面尺寸及形状对支座拉伸刚度退化影响,并与理论模型分析结果进行对比。理论模型与数值分析结果表明:橡胶支座拉伸刚度比与截面尺寸大小、形状无关,仅和剪切变形与截面惯性半径比值有关;当支座剪切变形达到规范限值时,拉伸刚度退化52%左右;所建立的模型及拟合刚度退化公式能够有效模拟橡胶支座在不同剪切变形下的拉伸刚度退化情况。

基于某博物馆的新型三维隔振装置作用性能研究

为了同时隔离水平地震作用及地铁运行导致的竖向振动,以橡胶支座和碟形弹簧相串联的形式设计了一种三维隔振装置.采用ABAQUS数值模拟与验证,确定了不同组合形式装置的水平刚度及竖向刚度取值.同时,基于某博物馆实际工程,建立了装置使用前后博物馆数值模型,并进行地震波和地铁波的时程分析.结果表明:三维隔振装置能同时隔离水平地震和竖向振动;装置刚度的计算结果与试验值相吻合;地震作用下,采用三维隔振装置的结构基底剪力降低了45%～80%,加速度峰值降低了66%～80%,减震效果明显;楼层加速度响应及Z振级值可以通过合理设置竖向刚度值来降低,综合考虑隔振效果及装置竖向变形,建议该博物馆三维隔振装置的竖向刚度取值为20 kN/mm.

叠层橡胶支座竖向刚度退化对隔震结构的影响

隔震结构在地震作用下,叠层橡胶支座竖向刚度随剪切变形增加而不断退化,对整体隔震结构产生的影响尚不明确.为此,通过ABAQUS建立不同层数、层高、柱距的隔震框架结构,支座本构采用修正的双弹簧模型结果.通过ABAQUS用户单元子程序UEL,采用FORTRAN语言编写了能够考虑支座竖向刚度退化的支座单元程序;输入实际罕遇地震波,对结构进行弹塑性动力时程分析,研究支座竖向刚度退化对结构地震响应的影响.结果表明:支座竖向刚度退化对结构柱底剪力、轴力、弯矩及梁弯矩有一定影响,地震响应放大系数结果为1.1～1.3;支座竖向刚度退化对支座剪切变形及上部结构层间位移影响较小.研究结果可为今后进行罕遇地震作用下隔震结构的计算分析提供重要依据.

地震作用下浮放物体运动状态研究

为了研究地震作用下浮放物体的运动状态,将浮放物体简化为木制块体,共设计了9个试件,围绕可能发生的滑移、滑移-摇摆以及摇摆(倾覆)3种运动状态,考虑宽高比、地震波的卓越频率、体型大小、形状以及质心高度等因素的影响,采用振动台试验和数值模拟相结合的研究方法,对浮放物体的运动状态进行了系统性的研究。结果表明:浮放物体的宽高比不同时,宽高比越大,试件越稳定,而宽高比相同时,长方体试件比圆柱体试件更稳定;浮放物体的运动响应随地震波卓越频率的增大而减弱;体型的变化对浮放物体的滑移量无影响,摇摆角随体型的增大而减小;降低质心高度能够增加浮放物体的稳定性,可有效保护浮放物体;有限元模拟与试验拟合较好,可有效模拟浮放物体在水平地震作用下的滑移、滑移-摇摆以及摇摆(倾覆)响应。

工业设备的震害预测研究

综合考虑地震作用和结构材料的随机性 ,运用概率论的知识建立了地震作用下钢铁工业设备各种破坏形式的极限状态方程 ,并求出了对应于某种地震烈度 ,设备出现各种破坏状态的概率。在此基础上 ,通过模糊综合评判的手段提出了工业设备的震害预测方法 ,并编制了相应的软件。此种方法的建立使设备抗震预测变得方便、可行。

薄膜体系找形设计中二次找形方法的提出及其力学原理

介绍了利用非线性有限元法进行薄膜体系找形分析的相关理论和相应的有限元计算公式,在此基础上提出了二次找形的概念,指出只有通过二次找形后得到的曲面才是在工程实践中能够真正实现的形状,并通过理论和工程算例证明了本方法的正确性和有效性。

某大型体育场桁架拱罩棚整体稳定性分析

以青海省州德令哈市体育场桁架钢拱罩棚结构为研究对象,利用通用有限元软件对桁架拱结构进行了整体稳定性分析,同时考虑了初始缺陷、荷载作用范围及拱脚约束形式等因素对桁架拱结构整体稳定性能的影响。在对结构进行特征值分析的基础上,利用非线性有限元分析方法,通过结构的荷载—位移全过程曲线分析结构稳定性能的基本规律。结果表明:初始缺陷的选取对结构稳定性有较大影响;结构在半跨荷载作用下的稳定性比满跨时略低,在半跨荷载作用下对初始缺陷更为敏感;支座刚度的增大可适当提高拱结构的整体稳定性。

大跨度楼盖结构在运动荷载下的振动性能

为研究人员运动荷载下大跨度楼盖的振动特性,以内蒙古伊旗全民健身体育中心大跨度张弦梁楼盖体系为背景,采用生物力学测力平台进行人员行走、跑步、跳跃、起立等运动荷载实测和相关分析研究.考虑可能出现的各种运动荷载工况,对大跨度张弦梁楼盖区振动开展有限元分析和现场实测.分析表明:行走、跑步及跳跃荷载工况下,人员动力放大系数分别约为1.2、2.4及4.9,大跨度楼盖在人员运动荷载数值模型激励下,所得有限元分析结果与现场实测竖向加速度峰值及理论计算值吻合较好.