基于谱分析的振动台试验地震波选取方法研究

振动台试验是目前研究结构地震响应和破坏机理的重要方法之一。不同地震动下的结构响应往往存在较大差距,这对结构抗震性能的研究和评价产生较大影响。因此如何选取一定数量合适的地震波,成为试验的关键。由此提出一种基于地震动加速度反应谱与功率谱密度选波方法:将地震动反应谱在结构基本周期附近段[T_(1)-0.25ΔT_(1,)T_(1)+0.25ΔT_(1)]与设计反应谱进行对比分析,要求该周期段单条波允许误差不超过25%,多条波的平均误差不超过15%;对比计算模型结构一阶频率下的加速度功率谱密度值,按结构是否考虑最不利状态选取密度值合适的地震动。通过振动台试验对选波方法进行验证,试验结果表明:按此选波方法选取的地震波可以得到较理想的结构响应,说明此地震波选取方法具有一定的合理性,可用于振动台模型试验时地震波的选取。

三维地震作用下某摩擦摆隔震单层球面网壳振动台试验研究

为研究三维地震作用下某摩擦摆(friction pendulum bearing, FPB)隔震网壳结构的抗震性能,以某跨度为30m的单层球面网壳结构作为原型结构,设计加工了1/10缩尺模型及其FPB系统。采用了5条具有不同特征的三向地震动记录作为动力输入,开展了隔震与非隔震网壳结构模型的振动台试验研究,对使用FPB前后网壳结构模型的自振特性和地震响应进行了对比分析。试验研究结果表明:隔震结构模型的基本自振频率较非隔震结构模型降低了80%;在施加地震波时,可清晰地观察到在FPB启动后,安装于隔震层之上的网壳屋盖呈现整体刚体往复平动;与非隔震结构相比,隔震网壳结构模型的水平双向地震响应有大幅度降低;使用FPB对竖向地震响应也具有一定的控制效果;经过润滑的FPB可提供优良的复位能力。

多塔大底盘RC框架隔震建筑抗震韧性设计研究

以位于Ⅷ度区(0.3 g)的某多塔钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)框架建筑为研究对象,对其进行了大底盘隔震设计,研究了在设防、罕遇地震作用下3个塔楼的动力响应,并基于韧性评价标准对该隔震方案展开了2个地震水准下的抗震韧性评价。结果表明:隔震后结构基本周期延长至原来的3倍,降低了地震作用,有效控制了上部结构的地震响应。楼面绝对加速度的显著控制基本消除了加速度敏感型非结构构件的损伤。结构构件以及位移敏感型非结构构件的修复费用主导了建筑的修复费用。建筑的修复时间由阶段Ⅰ中结构构件的修复时间控制,此隔震方案下建筑的抗震韧性等级达到了三星。

多塔大底盘层间隔震与基础隔震高层建筑抗震韧性对比

建设层间隔震地铁上盖建筑已成为高烈度地区实现以公共交通为导向建设集约紧凑型城市的重要手段,同时面对韧性城市的建设需求,提升该类建筑的抗震韧性已成为土木领域研究热点。该类建筑中大底盘对隔震结构地震响应和抗震韧性的影响,塔楼与大底盘抗震韧性的差异性、两者对建筑整体抗震韧性的影响等关键问题有待研究。屈重比作为隔震结构设计关键指标,其对多塔大底盘层间隔震建筑的抗震韧性的影响规律有待明确。该文以5个屈重比取值分别设计了多塔大底盘层间隔震案例和基础隔震案例,开展了弹塑性时程分析和抗震韧性评价。结果表明:大底盘对层间隔震建筑的地震响应存在放大效应,进而导致层间隔震建筑韧性等级低于基础隔震建筑。塔楼和大底盘的修复费用和时间构成存在差异,塔楼的修复费用和时间由加速度敏感型非结构构件引起,而大底盘的修复费用和时间由结构构件和加速度敏感型非结构构件共同引起。多塔大底盘层间隔震建筑的整体韧性等级随屈重比降低而提升,但屈重比对塔楼和大底盘的抗震韧性影响规律存在差异,塔楼的修复时间和费用随屈重比的降低逐渐减小,而大底盘的修复时间和费用随屈重比的降低无明显变化。

远近场地震动对隔震建筑抗震韧性影响分析

不同类型的地震动对隔震结构的地震响应和抗震韧性影响不同,为进一步探究其影响的差异,本文以北京地区某7层RC框架-剪力墙隔震结构为例,分别选取近场脉冲地震动、近场无脉冲地震动和远场地震动各11条进行设防地震和罕遇地震下的弹塑性分析计算及抗震韧性评价。分析结果表明:在地震作用下,远场地震动与近场无脉冲地震动响应相近;近场脉冲地震动对层间位移角、楼层加速度的影响远大于其他两类地震动,隔震层位移均值接近规定限值;近场脉冲地震动因其极大的地震响应导致抗震韧性评价各项指标远不如其他两类地震动,设防地震下远近场地震动均满足抗震韧性一星水准,罕遇地震下近场无脉冲地震动和远场地震动均满足韧性三星,而近场脉冲地震动只能达到韧性二星水准。研究结果可为地震灾害防范和隔震结构韧性设计提供参考。

海上风力塔架结构模型振动台试验研究

目前风力发电技术发展迅速,风电塔架结构作为风机的主要支撑结构,其在地震作用下的安全性十分重要。对于此种三脚架结构还未进行过振动台试验研究,所以该文利用地震模拟振动台试验的方法对海上风力发电塔三脚架结构1∶20比例模型进行了系列的试验,研究了模型结构的动力特性,以及在加速度峰值0.3 g、0.6 g和0.9 g作用下结构的地震反应。试验模型分为在三脚架桩基础高1.3 m处设置支护以及撤掉支护(模拟桩基础失效)两种情况。相较于设置支护的情况,撤掉支护后模型结构的加速度动力响应略有减小,X、Y两方向的峰值加速度下降幅度分别为9.87%和5.40%。此外,结合有限元软件ABAQUS对模型结构进行弹塑性时程分析,并将模拟结果与试验结果进行对比分析,两者结果基本一致,起到了相互验证的作用,并为该原型结构的弹塑性时程分析提供了参考。

基于抗震韧性的功能可恢复防屈曲支撑-框架结构设计方法研究

为解决大震后传统防屈曲支撑-框架结构残余位移较大和修复难度大、成本高等问题,基于抗震韧性的思想,对传统防屈曲支撑-框架结构进行优化设计,提出功能可恢复防屈曲支撑-框架结构体系的设计方法,提升建筑的抗震能力和震后可修复性。以实际工程为例,采用传统防屈曲支撑-框架结构和基于抗震韧性的功能可恢复防屈曲支撑-框架结构对其进行抗震设计,对比分析了两种方案的结构抗震性能和抗倒塌易损性。结果表明:大震下传统防屈曲支撑-框架结构最大残余位移角为1/15,超过《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591—2020)中建议的可修复范围限值1/200;功能可恢复防屈曲支撑-框架结构最大残余位移角为1/207,处于可修复范围,且倒塌概率远低于10%,具有良好的抗倒塌能力。功能可恢复防屈曲支撑-框架结构体系对于实现建筑震后快速修复或继续使用具有良好的可行性。

高温后高强混凝土细微观结构演变机理及剩余强度试验研究

对经历不同加热温度和恒温时间的C60高强混凝土试块进行试验研究,以分析其细微观结构演变机理,建立高强混凝土高温历程与细微观结构演化关系模型和高温历程与剩余强度关系模型。通过热电偶测得试块内部温度场,并结合ABAQUS有限元模拟分析试块内部温度场分布规律,结果表明两者试块内部温度场变化基本一致;利用扫描电子显微镜、X射线衍射、显微硬度检测、汞压力测孔、超声5种测试手段,对不同高温历程后高强混凝土材料的细微观结构变化进行定性和定量分析,并且彼此印证,建立了高强混凝土高温历程与细微观结构演化关系模型;通过测强试验获得高温后高强混凝土剩余抗压强度,建立了高强混凝土高温历程与剩余强度关系模型。研究表明,随着温度升高,恒温时间增长,结晶水散失,水化产物、凝胶有不同程度分解,氢氧化钙、白云石、钙矾石含量减少,声时增加,波幅、频率减小,显微硬度下降,孔隙率上升。最终得出了高强混凝土材料高温历程、细微观结构及剩余强度之间的关系。

预制剪力墙震损修复抗震性能试验研究

中国现阶段以及未来将存在较大数量的装配式建筑,装配式建筑的抗震韧性成为研究热点。该研究针对抗震韧性中的震损修复问题展开研究,以灌浆套筒连接预制剪力墙为研究对象,参照现有现浇构件的震损修复方法,考虑初始灌浆缺陷对预制剪力墙震损特征的影响,对两个震损预制剪力墙进行了严重损伤状态下的修复。随后进行了拟静力试验,并与现浇剪力墙的抗震性能进行了对比。试验结果表明:现浇构件中常用的置换混凝土加固法同样适用于震损预制剪力墙构件,尽管钢筋屈服前混凝土的裂缝开展与现浇试件存在一定差别,但修复后的试件也呈现出了弯曲破坏模式;修复后试件的承载力、变形能力和耗能能力与现浇试件基本一致,灌浆缺陷虽然会影响预制剪力墙构件的震损模式,但对震损修复后的试件的抗震性能影响较小;采用现有置换混凝土加固法修复震损预制剪力墙,基本可实现与现浇剪力墙构件一致的抗震性能。该研究的成果可为灌浆套筒剪力墙构件的损失后果函数研究以及该类结构的抗震韧性设计方法研究提供重要参考。

构造特征对应县木塔柱头铺作受力性能的影响研究

铺作节点是应县木塔的重要组成节点之一,开展铺作的抗震性能研究对应县木塔的保护工作具有重要现实意义。该文主要进行了三层至五层的明层外槽柱头铺作的缩尺模型的拟静力抗震性能试验,研究了构造差异对柱头铺作抗震性能的影响。试验结果表明:具有不同构造特征的三个柱头铺作模型的铺数越多,其耗能能力越强,水平承载力越大。柱头铺作在正向加载时都是以转动变形为主,在负向既有转动变形也有滑移变形。铺数增加会降低构件滑移变形的占比。铺数减少时,柱头铺作模型在负向加载中滑移变形的占比越大,但是当某相邻两层之间的散枓或齐心枓枓耳被剪坏时,负向的滑移变形占比增加明显,DG-1、DG-2和DG-3构件间的最大滑移占比分别达到51%、47%和87%。三层至五层柱头铺作的构件滑移主要位置在模型的中、上端部分。该研究可为应县木塔的安全现状和修缮保护提供充分的基础保障。

钢框架岩棉夹芯板超高防火隔墙耐火与稳定性能研究

为满足大型厂房对轻质超高防火隔墙的需求,提出了一种钢框架岩棉夹芯板超高防火隔墙,并对其耐火性与稳定性进行研究。采用ISO-834标准升温曲线的加热方法,对缩尺比例为1∶0.3岩棉夹芯板防火隔墙进行单面受火试验。并基于有限元软件ABAQUS建立缩尺模型与足尺模型,研究了防火隔墙防火优化前后两种方案下受火面与背火面的温度场变化规律。结果表明:缩尺试验模型与缩尺有限元模型的温度和形变基本吻合;足尺有限元模型的岩棉夹芯板超高防火隔墙在防火优化后,背火面最高温度降低,最大形变降低了75.5%,耐火性与稳定性得到大幅改善,并满足《建筑构件耐火试验方法》对于防火隔墙隔热性和完整性要求。在防火隔墙设计方面,容重为50 kg/m^(2)的钢框架岩棉夹芯板超高防火隔墙,跨度方向每8 m需设一根钢柱,高度方向每3.6 m需设一根钢梁。

钢结构厂房火灾后安全性鉴定

钢结构遭受火灾后力学性能及承载力均会受到削弱,需对构件及连接节点进行火灾后安全性鉴定及修复加固,以减小灾后间接经济损失。结合某钢结构厂房受火实例,介绍钢结构火灾后检测鉴定过程。通过现场检测钢柱、钢梁等构件损伤变形情况及节点连接构造措施,分析火灾后钢结构厂房构件和连接节点力学性能及剩余承载力,结合规范提出螺栓剩余承载力实用计算方法,并对钢结构火灾后检测研究方向进行了展望。

气孔缺陷对Q355B对接接头疲劳行为的影响

通过疲劳试验、硬度测试、显微组织观察,对焊缝宽度为20,25,30mm的含气孔缺陷Q355B对接接头单轴应力状态下的疲劳性能进行研究。研究结果表明,随着应力水平由220MPa降至160MPa,对接接头疲劳寿命离散性增加,微观破坏形式由穿晶破坏变为沿晶破坏;对接接头疲劳断裂均由多个疲劳源共同作用,约41%的对接接头因表面缺陷断裂于母材;当气孔缺陷位置相同时,焊缝宽度越小,对接接头疲劳寿命越短;当气孔缺陷位置不同时,缺陷越靠近底面,对接接头疲劳寿命越短;在相似的应力水平和缺陷尺寸下,焊缝中心气孔缺陷对焊缝影响更大,处于边缘的气孔缺陷对母材影响更大。

双层离港高架桥梁抗震体系对比研究

双层高架桥是城市桥梁建设中常用的一种桥梁形式,可合理利用空间,减少交通拥堵。随着北京某机场的建成,“双层出发,双层到达”的设计理念使得双层离港高架桥得到快速发展,但在设计过程中,航站楼建筑物与桥梁结构组合时,桥梁结构体系选择显得尤为重要。本文以北京某机场双层离港高架桥为研究对象,根据相关工程情况设计了墩梁固结、上层支座和双层支座3种典型结构体系,建立线弹性分析模型,对常遇地震下结构地震反应进行对比研究,分析表明墩梁固结体系地震位移和内力较小,具有良好的抗震性能;随后对3种体系考虑墩柱塑性铰损伤行为的力学性能开展了罕遇地震下非线性时程反应分析,研究表明上层支座随着弯矩反弯点的变化,墩柱转角需求最小,同时三者的纵横向墩柱转动能力均满足抗震需要。综合对比分析在本文探讨的地震情况下,3种结构体系,墩梁固结体系由于整体刚度大、地震参与质量小进而导致内力位移响应小,具有良好的抗震性能优势。同时本文研究成果可为同类桥梁提供技术支持。

地震作用下冷库外围护砌体墙平面外动力响应规律研究

为探究冷库外围护砌体墙在地震作用下平面外动力响应规律,采用ABAQUS软件对3层冷库工程简化模型进行动力时程分析,分析平面外位移特征、平面外加速度及放大系数沿高度的分布规律,并对建筑抗震设计规范中等效侧力法的取值进行对比。结果表明:外围护墙在小震下未出现损伤,在中震下部分墙体中心出现损伤,在大震下墙体出现大面积损伤;外围护墙平面外动力响应受地面运动、主体结构层间位移、锚系梁刚度等因素影响,呈现出显著的动力放大效应;抗震设计规范中等效侧力法计算得到的冷库外围护砌体墙平面外地震作用偏小。为保证冷库的使用功能,工程设计中应采取提高冷库外围护砌体墙平面外抗震能力的措施。

冷库大跨度预应力无梁楼盖竖向地震作用下动力响应研究

为研究冷库板柱-抗震墙结构大跨度预应力无梁楼盖在竖向地震作用下动力响应规律,以上海某冷库工程简化模型为分析对象,首先采用YJK软件进行结构设计,之后采用ABAQUS软件进行静力加载与动力时程分析,考虑多遇地震三向输入、罕遇地震水平双向输入、罕遇地震竖向输入、罕遇地震三向输入地震波等工况,分析结构塑性损伤、各楼层竖向加速度分布、各层柱子轴力、板柱节点冲切力、竖向地震作用等,总结竖向地震影响系数与动力系数的规律。结果表明,竖向地震增加了板柱节点的破坏程度;竖向地震作用下大跨度预应力无梁楼盖各点竖向加速度并非均匀;三向罕遇地震工况下柱轴力与板柱节点冲切力增加显著;竖向罕遇地震工况下结构地震影响系数最大值为0.556,动力系数沿高度变化规律与地震波频谱特性有关,最大值达3.89。设计中可根据分析结果采取差异化增强重点部位承载力与抗震性能的措施。

不同桥墩布置形式下有轨电车小半径曲线桥地震响应研究

为适应现代交通的发展需要,有轨电车小半径曲线桥得到广泛应用。而由于曲线桥的几何非规则性,其地震响应相较其余桥型更为强烈和复杂,如何在设计时尽可能减小曲线桥震害值得深入研究。以某实际工程项目为背景,分别建立不同桥墩墩高布置形式的三维有限元模型,通过非线性动力时程分析,探究了等高型、渐变型、凹岛型以及凸岛型等布置形式下各个桥墩的内力响应与位移响应,并为曲线桥的抗震设计提出建议。通过对比与分析表明:有轨电车小半径曲线桥在抗震设计中应优选等高型布置形式,尽量避开渐变型,且在实际工程中需注意对固定墩采取必要的抗震构造措施。

刚性限位对基础隔震结构动力响应影响试验研究

为防止隔震层在极罕遇地震作用下出现过大变形而导致隔震设施损坏,部分隔震结构安装了钢墩或钢筋混凝土墩等刚性限位装置。为了研究刚性限位对基础隔震结构动力响应的影响,设计三层单跨钢框架基础隔震结构以及钢墩、钢筋混凝土墩、带橡胶垫层钢墩三种刚性限位器,并进行振动台试验。研究不同预留间隙时三种限位器对基础隔震结构的位移、加速度、接触力以及隔震支座竖向荷载等动力响应影响的规律。试验结果表明,刚性限位器能有效减小其隔震层位移,但也会对上部楼层产生较高大的不利响应,同时会增大隔震支座的竖向荷载,甚至使支座产生拉应力。在钢墩前设置橡胶垫层能明显减小上部结构的加速度响应,对上部结构位移响应、隔震支座竖向力及碰撞点处接触力影响不大。

强震下不同站桥组合体系抗震性能对比研究

为系统对比不同站桥组合体系抗震性能的优劣,以某实际工程项目为背景,分别建立站桥合一结构与站桥分离结构的三维有限元非线性动力分析模型。在综合考虑墩柱非线性以及扩大基础、砂石垫层及地铁顶板之间非线性滑动摩擦效应基础上,深入探讨了两种结构形式在强震下的动力响应以及桥墩损伤规律。研究表明:在讨论范围内,两种站桥组合体系中桥墩下的地铁车站立柱动力响应均大于其他立柱;而相比站桥合一结构,站桥分离结构可以有效降低地铁车站立柱及桥梁结构中桥墩的弯矩与剪力响应,其墩梁相对位移更小,但存在一定残余位移;同时站桥分离结构中桥墩损伤程度更轻,出现塑性状态的时间更晚。整体而言,站桥分离结构的抗震性能更为优异,但在实际工程中需注意对墩梁相对位移及基础滑移的限位。

M型钢-混凝土组合剪力墙抗震性能有限元分析

为避免小剪跨比剪力墙在地震下发生脆性剪切破坏,提出一种M型钢-混凝土组合剪力墙,采用M型钢作为剪力墙竖向分布钢筋,具有整体性能好、抗扭刚度大、施工效率高等特点,在大震下呈现分缝受力的破坏模式,表现出良好的抗震性能。采用ABAQUS有限元软件对M型钢-混凝土组合墙体进行非线性拟静力分析,研究不同免拆模板类型、轴压比、水平钢筋配筋率对墙体的抗震性能的影响,对墙体的塑性损伤分布情况进行对比分析。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合程度良好,墙体混凝土损伤呈两阶段分布。M型钢-混凝土组合墙体具有较大的承载力和抗侧刚度,免拆模板类型对墙体抗震性能影响不大,降低水平钢筋配筋率会使墙体承载力显著下降,加速刚度衰减,延性和耗能能力显著增强,减小轴压比会降低墙体承载力,但延性系数有所提高。