串联隔震构件非线性力学性能试验研究

串联隔震构件作为变刚度、强非线性的组合构件,是柱顶隔震结构最脆弱且最敏感的部位。为能够对串联隔震构件的非线性力学性能有更深入地认识,对不同长细比和轴压比下串联隔震构件进行拟静力加载试验,分析不同长细比和轴压比下串联隔震构件的破坏现象和特点;分析长细比与轴压比对串联隔震构件的水平刚度、强度及力和位移关系等力学性能的影响,探究串联隔震构件在多次实时往复荷载作用下串联隔震构件非线性累积损伤引起的力学性能演化规律。经对试验结果分析表明,构件的延性、耗能能力、极限位移均与长细比和轴压比呈负相关且表现出明显的非线性特征,长细比和轴压比的增加会对串联隔震构件的水平刚度、强度等一些非线性力学性能造成损伤劣化。

串联隔震构件恢复力计算模型试验研究

为研究串联隔震构件使用阶段的真实力学性能,基于5组不同轴压比、长细比的串联隔震构件进行拟静力加载试验,并建立构件的有限元模型,对受力特点及破坏状态进行分析。根据对应工况下的有限元模型获得滞回曲线,建立了串联隔震构件的三折线型骨架曲线,同时给出了骨架曲线各分段的方程表达式。针对试验过程中变幅循环加载引起的构件整体刚度发生退化的问题,将各组构件的滞回曲线划分为4个部分,以每组构件的初始加载刚度为基准,采用非线性回归分析方法,获取每段曲线刚度退化规律,结合骨架曲线,建立了串联隔震构件的恢复力模型,并与试验进行对比。结果表明:提出的恢复力模型可以较为准确地描述串联隔震构件在低周往复荷载作用下的恢复力特性,为后续非线性力学性能研究提供理论参考。

考虑隔震支座转动及P-Δ效应的串联隔震结构响应研究

针对叠层橡胶隔震支座与地下室悬臂柱组成的串联隔震体系的P-Δ效应及叠层橡胶隔震支座转动问题,通过简化建立考虑P-Δ效应、叠层橡胶隔震支座转动及悬臂柱柱身变形的上部结构与独立悬臂柱串联隔震体系的力学模型,推导出考虑P-Δ效应及叠层橡胶隔震支座转动共同作用下的串联隔震体系的频率方程,然后通过数值的方法求解该串联隔震体系的频率与振型。根据Betti定律,推导出考虑P-Δ效应及叠层橡胶隔震支座转动的串联隔震体系的广义质量及广义荷载,然后通过振型叠加法求解串联隔震体系的地震响应。最后应用该地震响应求解方法对一实际工程进行仿真及参数分析。结果显示本文考虑P-Δ效应、叠层橡胶隔震支座转动及悬臂柱柱身变形的串联隔震体系动力响应求解方法能方便地计算悬臂柱的变形、柱顶转角以及结构的动力响应;悬臂柱水平名义刚度与隔震支座水平刚度之比较小时,悬臂柱与隔震支座组成的串联隔震体系的地震响应与隔震支座底部固结直接积分法得到的响应差别较大,随着悬臂柱刚度的增加,差别迅速减小,可根据刚度比确定独立悬臂柱的截面;在保证隔震效果的情况下,隔震支座竖向刚度应尽量加大,以减小隔震支座转角;当悬臂柱支撑的隔震结构隔震支座底部按固结计算时,P-Δ效应主要影响下部独立悬臂柱的响应,计算独立悬臂柱的响应需考虑P-Δ效应的影响。

串联隔震系统水平刚度及对结构地震响应影响

针对工程界比较关注的柱串联隔震系统的水平刚度问题,建立了水平刚度计算公式,探讨了压应力对水平刚度及结构地震响应的影响。首先建立了单个叠层橡胶支座的场矩阵;其次根据传递矩阵法建立了柱串联隔震系统的场矩阵,根据所得场矩阵推导出串联隔震系统顶部状态变量与任意截面内力和位移之间的关系,进而推导出串联隔震系统的水平刚度计算公式,避免了繁琐的力学推导过程;最后探讨了压应力对水平刚度及结构地震响应的影响。结果表明水平刚度随着压应力的增大而减少,近断层附近建议采用隔震支座直接固定在基础上的隔震方案。

串联隔震体系的大变形力学行为分析与试验

研究了由叠层橡胶隔震支座和地下室悬臂柱组成的串联隔震体系的大变形行为。考虑轴向伸长、一阶剪切变形,建立了串联隔震体系大变形分析的几何非线性控制方程,并利用微分求积单元法进行了数值求解。结果表明,串联隔震体系大变形主要出现在叠层橡胶隔震支座处,地下室悬臂柱各处内力值呈近似均匀分布,计算结果与试验结果规律吻合。

串联隔震体系水平刚度的参数研究

考虑串联隔震体系中叠层橡胶支座和钢筋混凝土柱相互作用,用弯剪模型进行分析,用直接积分法推导了在压剪作用下串联隔震体系中叠层橡胶支座和钢筋混凝土柱及整体的水平刚度方程,提出了串联隔震体系刚度的简化方程,并与Kelly提出的公式进行了对比,主要分析了典型参数高度比κ和轴力影响因数σR对于构件自身及整体水平刚度的影响,结果表明随着典型参数的增大水平刚度降低,整体简化方程与整体精确方程的值在一定的范围内误差较小,满足工程实际要求。

加连梁柱串联隔震系统的弹性屈曲

为了解决工程界比较关注的隔震建筑串联隔震系统的稳定性问题,建立基于传递矩阵法的临界荷载求解方法。该方法首先建立稳定性分析单个支座的场矩阵和连梁等效成抗弯弹簧的点矩阵;其次根据传递矩阵法建立串联隔震系统稳定性分析的特征矩阵,并根据所得特征矩阵建立其临界荷载的控制方程,该方法避免了繁琐的力学推导过程;最后通过计算两种不同型号的串联隔震系统的临界荷载和探讨参数变化对柱串联隔震系统稳定性的影响。研究结果表明:加连梁对提高柱串联隔震体系临界荷载不明显,建议隔震建筑下部结构应优先选用地下室悬臂柱方案。

基于试验的串联隔震体系非线性力学性能有限元分析

为研究由铅芯橡胶支座(LRB)和钢筋混凝土(RC)柱组成的串联隔震体系(SIS)的非线性力学性能,以LRB的试验和SIS的振动台试验为基础,建立8组带LRB的SIS模型。首先用有限元软件MARC对LRB进行分析,LRB的等效刚度和滞回曲线与试验结果基本一致。在此基础上,对8组SIS模型进行Pushover分析和不同幅值的循环荷载分析,研究SIS的力和位移曲线、特征承载力、刚度、阻尼比和破坏特点,分析RC柱的高宽比对SIS的特征承载力、刚度、阻尼比和破坏形式等力学性能的影响,并对比SIS等效刚度的有限元分析结果和试验分析结果,变化趋势基本一致。结果表明,SIS的非线性力学性能受LRB力学性能影响较为明显,而当高宽比大于4时,RC柱对SIS的力学性能随着高宽比的增大影响逐渐增大,建议柱高宽比损伤限值3.5(含3.5)和安全限值5,为结构设计提供参考依据。

叠层橡胶支座串联隔震体系抗火性能研究

对叠层橡胶隔震支座在高温作用下的温度场进行数值模拟,利用小模型试件进行温度传导及温度场分布试验。在叠层橡胶隔震支座经历420℃的高温作用后,将隔震支座模型试件与钢筋混凝土柱串联,并对串联隔震体系的力学性能进行压剪往复试验。结果表明,叠层橡胶隔震支座在高温作用下的性能退化相当明显,承载状态下的橡胶隔震支座在稍高的温度作用下就开始发生畸变。这表明在实际工程中对叠层橡胶隔震支座采取防火保护措施对保证隔震结构承载力安全非常重要。

串联隔震结构震损倒塌动态模型分析

建立了叠层橡胶隔震垫与地下室悬臂RC柱组成的串联隔震结构的有限元分析模型,编写了利用MSC.MARC软件生死单元二次开发UACTIVE程序来模拟隔震垫的失效,并分析了远场多维地震激励下不同长细比悬臂柱柱顶加连梁对结构响应的影响,同时分析了设置阻尼器控制隔震层位移后的结构地震响应。分析表明:通过生死单元二次开发程序可以有效地模拟隔震垫破坏;实际工程中常规的长细比悬臂柱柱顶加连梁对串联隔震结构的响应影响微小;隔震层增设非线性阻尼器可以控制位移且不影响多遇地震下的隔震效果。

串联隔震体系静力性能有限元分析

采用ANSYS对叠层橡胶支座及与悬臂柱构成的串联隔震体系进行模拟分析,介绍了建立模型的过程,给出了参数设置。对叠层橡胶支座基本力学性能模拟,得到在受压时和受压剪时橡胶与钢板的等效应力分布;对悬臂柱不同截面尺寸两种串联体系进行压剪模拟,得到荷载与位移曲线。通过对比分析叠层橡胶支座基本力学性能结果,得到橡胶支座压缩与剪切最大应力点与破坏机理;通过对串联体系的模拟分析,得出了悬臂柱刚度不同时串联体系水平恢复力的变化情况和造成这种变化的原因。

不同类型串联隔震体系竖向承载力对比分析

取叠层橡胶支座隔震结构与地下室柱所组成的串联隔震结构为研究对象,对比独立柱串联隔震和独立柱加柱顶连梁串联隔震体系竖向承载性能。采用ABAQUS非线性有限元软件建立1个独立柱串联隔震体系和3种具有不同梁柱线刚度比的独立柱加连梁的串联隔震体系有限元模型,并在不同初始水平力作用下进行竖向单调加载试验的数值模拟。定量对比分析串联隔震体系竖向承载力-位移曲线随不同水平力初始值、不同梁柱线刚度比的变化规律,分析这两个主要因素对串联隔震体系竖向极限承载力及结构体系破坏形式的影响。结果表明:在地下室柱顶增加连梁,串联隔震体系竖向承载力的极限值与梁柱线刚度比值成正比,而与水平力初始值的大小成反比,但竖向承载力极限值增加的幅度与水平力初始值的大小成正比,但竖向承载力极限值增加的幅度与水平力初始值的大小成正比。

叠层橡胶垫与RC柱串联隔震体系的随机屈曲分析

悬臂柱与橡胶隔震支座组成的串联隔震系统是国内外很常见的建筑隔震体系,其稳定性受到工程设计和研究人员的广泛关注。由于地震激励的随机性,悬臂柱的刚度不但会通过串联隔震体系的频率响应函数影响结构体系的随机响应特性,而且隔震层顶部的水平位移、水平剪力及竖向屈曲临界荷载三者都受这组随机响应的支配,并有明显的交互作用。本文介绍了笔者所提出的串联隔震结构在地震激励作用下的随机屈曲响应所做的理论模型。针对串联隔震体系的特点,对串联体系的屈曲特性进行了定量分析,分别建立了分析串联隔震体系频率成份和最大层间剪力、最大隔震层位移随机响应的非线性滞变模型,分析了单柱串联体系的屈曲荷载及两种失效准则对应于屈曲分析的工程意义,提出了体现II型失稳特性主要影响因素的屈曲临界荷载均值表达式。

考虑初始位移的串联隔震体系竖向承载力有限元分析

在实际工程中,叠层橡胶支座由于某些原因会产生初始变形,这对结构的安全性产生影响。该文以方形叠层橡胶支座和钢筋混凝土(RC)柱组成的串联隔震体系为研究对象,用有限元软件MARC对有初始位移的串联隔震体系进行偏压的分析。对比4种模型3种工况下水平变形和竖向变形,根据变形特点给出4种模型3种工况的竖向极限承载力,分析叠层橡胶支座与RC柱的线刚度比和初始位移对串联隔震体系竖向承载力的影响。

双向水平地震作用下串联隔震结构的振动控制

国内外许多实际的隔震工程都采用橡胶隔震支座与地下室悬臂柱串联的隔震方案。本文针对串联隔震结构提出了振动控制策略,即在隔震层附设一定数量的减震控制装置,同时,本文建立了在双向水平地震作用下串联隔震结构振动控制体系的运动方程,并考虑了串联隔震结构底部柔性对底部刚度的影响,应用序列最优控制算法对算例进行隔震控制。结果表明,这种隔震控制体系可以有效地减小结构在双向水平地震作用下的地震反应,对隔震层的位移响应降低了至少63.1%,有效地提高了串联隔震结构体系的整体稳定。

多维地震激励下串联隔震结构的倒塌模拟

近断层地震作用下,隔震结构会受到多维地震激励。本文运用基于MSC.MARC的钢筋混凝土弹塑性分析程序TUHFIBER,采用弹簧阻尼单元模拟隔震支座,建立了结构三维有限元模型。分别对水平单向、水平双向和三向地震作用下串联隔震结构的倒塌过程进行了模拟。通过改变结构各层的抗侧刚度,得到了串联隔震结构的3种倒塌模式。结果表明,多维地震作用下结构隔震层更容易发生位移超限破坏。

RC柱对串联隔震体系水平刚度影响研究

为了研究RC柱对串联隔震体系水平刚度的影响,文章以串联隔震体系及其构件的水平刚度方程为基础,基于假定提出了串联隔震体系刚度的简化方程;以橡胶支座基本设计荷载和常用参数为依据,主要分析了RC柱的轴压比和高宽比对构件自身及整体水平刚度的影响;并与三组串联隔震体系的有限元分析数据进行对比,结果表明了公式的正确性和适用性。

基于传递矩阵法的串联隔震体系稳定性分析

针对串联隔震体系稳定性问题,利用传递矩阵法建立其临界荷载控制方程,并探讨了参数变化对临界荷载的影响.对单个叠层橡胶支座进行力学分析,建立其稳定性分析的场矩阵,进而利用传递矩阵法建立串联隔震体系稳定性分析的场矩阵,推导出临界荷载的控制方程.计算两种不同型号串联隔震体系的临界荷载,重点探讨叠层橡胶支座和地下室悬臂柱参数变化对串联隔震体系稳定性的影响.结果表明,叠层橡胶支座参数对串联隔震体系稳定性影响要比地下室悬臂柱明显,串联隔震体系的临界荷载值可用单个橡胶支座的临界荷载值近似等效.

考虑二阶效应串联隔震体系的塑性变形分析

随着基础隔震技术研究的不断深入及其在我国汶川大地震中表现出的良好的减震效果,使得隔震技术在我国地震区灾后重建工程和邻近地区的新建工程中大面积开展应用。然而,实际的工程中,有关隔震结构体系仍有不少特殊的力学问题有待解决,特别是橡胶隔震支座与地下室悬臂柱组成的串联体系的塑性变形和稳定性问题,一直是工程界关注的焦点。针对这一问题,本文对不同轴力作用下串联体系塑性变形能力问题进行了研究。在考虑弯剪二阶效应下对串联隔震体系变形特性进行了理论推导,同时应用有限元分析软件ANSYS对给定的串联隔震体系在8种荷载工况下进行了模拟分析。结果表明,弯剪二阶效应对于串联隔震体系的内力影响是明显的,随着轴力的增加,串联隔震体系塑性变形能力下降。

近断层地震下不规则串联隔震结构的倒塌模拟

串联隔震结构目前在国内外都比较常见,其安全性也得到了广泛的关注。而且串联隔震结构的自振周期较长,所以近断层地震动对串联隔震结构的抗震性能有不利的影响。本文分析了平面不规则串联隔震结构在近断层地震作用下的抗震性能,并对其进行了倒塌过程模拟。运用MSC.MARC建立平面不规则串联隔震结构和非隔震结构模型,选择不同的地震动输入进行非线性仿真分析。通过比较近断层地震作用下平面不规则串联隔震结构与非隔震结构的动力响应,并总结其规律;对隔震与非隔震结构建立倒塌模型,分析两种结构的抗倒塌能力。研究表明:近断层地震作用下平面不规则串联隔震结构的扭转效应相对于非隔震结构的扭转效应明显减小。同时,倒塌模拟表明,平面不规则的非隔震结构较串联隔震结构容易倒塌。