竖向地震作用对钢筋混凝土框架结构及三维隔震结构的影响

为了研究竖向地震作用对结构地震反应的影响以及三维隔震结构隔震效果,采用MATLAB编程计算了考虑竖向地震作用的反应谱,分析了竖向地震作用对结构加速度、速度与位移的影响;采用Open Sees分析程序建模并模拟了钢筋混凝土结构振动台试验,验证了有限元模型的正确性。在此基础上,设置了三维隔震层并对隔震结构与非隔震结构分别进行了动力时程分析,对比分析了隔震、非隔震结构加速度、位移反应以及梁柱截面内力的变化。分析表明:新型三维弹簧隔震结构隔震效果良好,竖向地震动可以进一步降低水平减震系数;设置隔震墩能有效减小框架梁支座截面内力,但对梁跨中截面内力改变较小。     

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。     

近断层地震对基础隔震结构动力响应

运用SAP 2000有限元分析软件,采用非线性时程分析法对水平和竖向地震耦合作用下的框架进行了动力分析。探讨了铅芯橡胶支座(LRB)用于基础隔震体系时参数的优选问题,同时也对在近断层地震作用下基础隔震结构和未隔震结构动力响应进行了分析和对比。计算结果表明:对于低频地震波而言,随着隔震周期的增大,梁端最大层间位移越小,隔震效果越好;对于高频地震波而言,梁端最大层间位移和节点最大加速度随着隔震周期的增大呈上升趋势。框架层间位移随着屈服刚度比的增大总体呈下降趋势,结构的地震响应降低,并且屈服刚度比对框架结构梁端最大层间位移的影响大于隔震周期对其的影响。节点最大加速度随着屈服刚度比变化的规律,在不同地震波的作用下会有差异,不同之处往往在结构的中部以上。     

基础隔震高层建筑影响因素的理论分析

对采用基础隔震的高层建筑进行了三维有限元分析计算,研究了不同结构体系、双向地震作用、P-△效应以及加速度反应等对基础隔震高层建筑的影响.通过以上的研究,得出了结论:同一结构体系在相同地震波作用下,隔震结构的层间剪力比非隔震结构的层间剪力减小一个数量等级;不同结构体系在相同地震波作用下,隔震结构的位移随层数的变化趋势不一致;同一结构在不同地震波作用下,建筑物的地震反应相差较大;在建筑物中某些构件需要考虑双向地震波作用效应;隔震建筑物可以不考虑P-△效应;高层隔震建筑物的加速度反应不同于非隔震建筑物的加速度反应.结果表明,基础隔震技术可以应用于高层建筑.     

大跨空间结构竖向变刚度三维隔震装置及其隔震性能研究

本文中研制了一种适用于大跨空间结构的竖向变刚度三维隔震装置，该装置由用于水平隔震的铅芯橡胶支座和用于竖向隔震的组合液压缸构成。基于液压原理，通过改变组合液压缸不同阶段参与工作腔室的种类和数量实现装置竖向变刚度特性。推导了组合液压缸不同工作阶段的刚度计算公式，并建立了其滞回模型。完成了组合液压缸的振动台试验，验证了刚度计算公式与所建立滞回模型的准确性。采用有限元方法，对比分析了不同地震作用下单层球面网壳结构在不隔震、水平隔震、非变刚度三维隔震与竖向变刚度三维隔震时的响应，建立了考虑水平地震影响的最大竖向隔震位移计算方法。结果表明，竖向变刚度三维隔震装置对结构加速度与杆件内力的减震率优于水平隔震支座，与非变刚度三维隔震装置接近，但可更有效地限制隔震层竖向位移与结构倾覆转角；所建计算方法可以准确计算结构三维隔震时的最大竖向隔震位移，不同地震记录作用下计算结果的最大误差为16.0%。     

考虑P-Δ效应的柱顶隔震结构的动力响应分析

针对柱顶隔震结构,提出考虑P-Δ效应动力响应的免迭代计算方法,分析P-Δ效应对柱顶隔震结构响应的影响。由于隔震层处的层间位移较大,当受到的轴力较大时,二阶效应不容忽视。隔震支座采用双线性模型,构造水平力偶代替结构轴向力形成的弯矩,并在隔震层处做了特殊处理,使得隔震层处的附加弯矩能够传递到下部结构。这样在计算结构的非线性响应时,相当于结构的刚度矩阵在原来的基础上增加了一个几何刚度矩阵,从而避免了迭代运算。研究表明:某些情况下P-Δ效应会显著增大下部结构的响应。     

动力P-Δ效应位移增大系数研究

位移增大系数法是弹性状态下考虑P-Δ效应对结构位移放大作用的有效简化分析方法,但地震作用下的P-Δ效应是一个复杂的动力几何非线性及材料非线性问题,目前还没有成熟统一的考虑方法。本文对地震作用下P-Δ效应稳定指标的合理选取进行了讨论,以等效线性化法为理论基础提出了改进的P-Δ效应位移增大系数公式。作为验证,选取单墩体系进行了大量的参数分析工作,统计分析得到了动力P-Δ效应对结构位移反应的影响规律。研究表明,桥梁稳定指标的选取应与桥墩所处的反应阶段相适合,弹性反应阶段与弹塑性反应阶段应选取不同的稳定指标;提出的理论公式与有限元参数分析结果比较吻合,利用等效线性化方法可以合理地进行P-Δ效应分析,所提公式可为规范的进一步修订提供参考。     

设置三维摩擦摆支座的北京工人体育场单层网壳罩棚竖向隔震性能研究

北京工人体育场为设置三维摩擦摆隔震支座(3D-FPB)的大跨网壳高位隔震结构。由于三维摩擦摆隔震支座的竖向刚度远小于传统摩擦摆隔震支座,可减小竖向地震作用,并调节不同支座之间的不均匀抬升。在有限元软件ABAQUS中建立了包含3D-FPB的大跨网壳模型,可准确考虑滑块在滑动面上抬升。进行罕遇地震弹塑性时程分析,并与采用普通FPB的模型对比,结果表明：3D-FPB可以降低网壳的竖向地震作用及悬挑端竖向加速度,减小对竖向荷载敏感的网壳构件的应力水平,并使相邻支座之间的竖向作用力分布更加均匀;当考虑支座不均匀抬升效应后,上部网壳的竖向地震作用及悬挑端竖向加速度增大;网壳构件在加载过程中始终保持弹性,在承载能力方面有充足安全储备。     

多维近断层地震对RC框架结构抗震性能的影响

近断层地震较远场地震具有显著的脉冲效应、上下盘效应和破裂方向效应,对结构有强大的破坏作用。本文采用ANSYS有限元软件模拟了4层钢筋混凝土(RC)框架非隔震和隔震结构,分析其在近断层水平地震单独作用和水平、竖向地震共同作用下的动力响应。研究表明,结构在水平、竖向地震共同作用下的层间位移和顶层加速度反应较水平地震单独作用下的反应要大,并且在近断层脉冲地震作用下竖向地震对隔震结构的影响大于对非隔震结构的影响,因而,进行近断层地震作用下的抗震分析时应考虑竖向地震作用。     

超高层建筑竖向地震响应的特点与应对方法

计算了6个不同高度和不同结构体系的超高层建筑模型的竖向自振周期和竖向地震响应;分析了超高层建筑竖向构件和水平构件的竖向地震动响应特征。研究发现,超高层建筑水平自振周期远大于场地特征周期,而竖向自振周期则与场地特征周期接近,竖向振动响应得到放大。根据设计反应谱,对于各种抗震设防烈度,结构总竖向地震作用标准值FEvk都至少是结构总水平地震作用标准值FEk的2. 44倍。进而提出描述超高层建筑受到竖向地震全过程的4个概化模型,并指出规范简化算法的局限性。提出竖向地震作用对P-Δ效应与P-δ效应的放大主要体现在P值增大,使得"重力二阶效应"变成"重力与竖向地震响应共同作用下的二阶效应"。采用时程分析法研究了水平构件振动加速度响应,提出二次振动和竖向构件错动对水平构件振动响应有显著影响。分析了采用振型分解法计算超高层建筑竖向地震响应时质量参与系数偏低的原因,并指出当结构高度超过某一数值时,竖向地震作用下的结构第一阶振型会从竖向振动转变为水平摆动。     

旋转型三维隔震体系试验研究及动力响应分析

为深入研究旋转型三维隔震体系的受力性能及隔震效果,建立了其考虑摩擦因素的竖向刚度计算方法,提出了包含初始承载力的竖向滞回模型,并给出了关键参数的计算式。对隔震支座模型进行了竖向压缩拟静力试验,在此基础上进行了力学参数相关性分析,得到摩擦系数与倾斜角度对竖向性能的影响规律。最后对使用该隔震体系的核反应堆厂房进行水平及竖向地震荷载作用下的动力响应分析,比较结构在基准地震、安全停堆地震、超设计基准地震下的地震响应,发现隔震层及上部各楼层加速度响应均有显著减小。进一步得到了厂房内部关键节点的加速度反应谱,发现该体系可将核反应堆厂房隔震结构设计地震动峰值加速度由0.3g提升至0.6g,可有效地增加核电厂选址范围。     

SSI效应对隔震结构的地震响应及损伤影响分析

基于弹性地基梁理论和波动理论计算群桩-土地基对上部结构的动力阻抗,进而研究桩土-结构动力相互作用对高层隔震结构地震响应及非线性损伤的影响。首先计算桩周地基水平刚度系数,采用改良的Penzien模型将群桩等效为单桩,考虑一定桩长范围计算桩头的水平刚度,同时根据结构振动频率与地基基本频率的大小关系,考虑地基材料阻尼和辐射阻尼的影响。以某高层隔震工程为例,根据实际桩布置及土层分布情况计算地基阻抗,利用等效线性化模型对结构进行反应谱分析,计算结构隔震前后SSI效应对其动力响应的影响,再利用三维非线性损伤模型分析SSI效应对结构主要构件损伤的影响。计算结果表明,随着结构层数的增加,SSI效应的影响减小,考虑SSI效应会使隔震层位移和隔震支座面压利用率提高,而对隔震层上部结构的层间位移基本没有影响;考虑SSI效应后结构连梁的损伤减小,而框架柱和剪力墙这些竖向构件损伤增加;长周期地震动作用下结构的SSI效应更显著。     

橡胶垫基础隔震结构考虑竖向地震作用高宽比限制研究

采用多质点层间剪切型分析模型 ,建立了橡胶垫基础隔震结构在水平与竖向地震联合作用下的运动微分方程 ,并推导了隔震结构高宽比限值的简化计算公式。在考虑了场地条件、地震烈度等影响因素下 ,分析了竖向地震作用的存在对隔震结构高宽比限值的影响规律。研究表明 ,在硬土场地上 ,竖向地震作用的存在对隔震结构高宽比限值有较大影响 ,并随着地震烈度、竖向加速度峰值的增大而增大。建在高烈度设防区较硬土场地上的基础隔震结构 ,其高宽比的确定应考虑竖向地震作用的影响     

考虑退化效应的滑移铅芯橡胶支座力学性能精细建模与模型验证

隔震支座是隔震结构地震响应控制的关键构件,滑移铅芯橡胶隔震支座具有协调上部结构温致变形、地震作用下可耗能复位等优势,但往复荷载作用下其力学性能退化显著。文章建立考虑支座性能退化的滑移铅芯橡胶支座精细数值模型,开展不同竖向压力、加载频率、加载位移幅值时滑移铅芯橡胶支座压剪力学性能分析,并基于支座试验结果验证模型的准确性,进一步探明支座性能退化对隔震桥梁地震响应的影响。结果表明：竖向压力增大会改变滑移铅芯橡胶支座的滞回力-位移关系,从而提升其耗能性能;加载频率对摩擦力的影响随加载频率增大而显著减小;加载位移幅值越大,支座单周耗能能力、等效刚度随滞回周期的增加减小越显著;相比已有数值模型,考虑支座性能退化的精细数值模型分析结果与试验结果吻合更好,模型误差显著减小。隔震周期越大,支座性能退化对隔震桥梁地震响应的影响越显著,应在隔震结构设计与性能分析中予以关注。     

上海中心大厦悬挂式幕墙支撑结构竖向地震作用反应分析

当悬挂结构自身的竖向振动周期与其支承结构的竖向振动周期接近,将出现二次共振现象,即产生竖向振动的“鞭梢效应”,从而导致悬挂结构自身及其支承结构的竖向地震作用反应都显著增大。上海中心大厦采用分区悬挂的柔性幕墙支撑结构,每个分区悬挂的幕墙质量大、支承结构刚度弱、悬挂高度高、自振周期与主楼接近,其竖向地震作用反应不容忽视。采用反应谱和弹性时程分析方法,对上海中心悬挂式幕墙支撑结构在竖向地震作用下的结构自振特性、竖向加速度、竖向位移等反应进行了分析。结果表明：悬挂式的幕墙支撑结构竖向地震作用反应显著,幕墙支撑结构的竖向地震作用反应随结构高度增加而增大;高区吊杆轴重比较低区增大约1.2倍,高区吊点加速度反应较低区增加约1.5倍;在相同分区,由于吊杆弹性放大作用,幕墙支撑结构底部的轴重比、加速度、位移反应分别较顶部增大20%、50%、100%。     

上海中心大厦悬挂式幕墙支撑结构竖向地震作用反应分析

当悬挂结构自身的竖向振动周期与其支承结构的竖向振动周期接近,将出现二次共振现象,即产生竖向振动的"鞭梢效应",从而导致悬挂结构自身及其支承结构的竖向地震作用反应都显著增大。上海中心大厦采用分区悬挂的柔性幕墙支撑结构,每个分区悬挂的幕墙质量大、支承结构刚度弱、悬挂高度高、自振周期与主楼接近,其竖向地震作用反应不容忽视。采用反应谱和弹性时程分析方法,对上海中心悬挂式幕墙支撑结构在竖向地震作用下的结构自振特性、竖向加速度、竖向位移等反应进行了分析。结果表明:悬挂式的幕墙支撑结构竖向地震作用反应显著,幕墙支撑结构的竖向地震作用反应随结构高度增加而增大;高区吊杆轴重比较低区增大约1.2倍,高区吊点加速度反应较低区增加约1.5倍;在相同分区,由于吊杆弹性放大作用,幕墙支撑结构底部的轴重比、加速度、位移反应分别较顶部增大20%、50%、100%。     

多模块高温气冷堆核岛厂房隔震结构振动台试验

为研究多模块高温气冷堆核岛厂房基底隔震结构的抗震性能,设计缩尺比为1/20的核岛厂房振动台试验模型,分别进行抗震、摩擦摆支座隔震、橡胶支座隔震三种工况下的振动台试验,对比分析不同工况下核岛厂房隔震结构的动力响应规律,包括结构动力特性、加速度和位移响应、楼层反应谱等。试验结果表明：采用隔震措施后,结构自振周期明显延长,隔震效果显著;三向地震动输入时,隔震上部结构的加速度放大系数在四层以上会突然增大,这是由于结构中部T形墙高度仅至四五层之间,结构在此处被削弱;结构整体刚度较大,抗震结构和隔震后上部结构的相对位移均较小,基本处于平动;隔震措施能明显减小核岛厂房结构在其自振频率处的水平向加速度反应谱峰值,而在隔震频率处隔震模型加速度反应谱值有所增加;在三向地震动输入下,隔震模型的竖向楼层加速度谱较抗震结构的竖向加速度谱有明显放大。     

土与结构相互作用对层间隔震结构影响的参数分析

层间隔震结构是在基础隔震结构的基础上发展起来的一种新型隔震结构体系。实际工程中,因受到地形条件和建筑功能使用需求的限制,仅能在中间某层设置隔震装置,从而形成层间隔震体系。层间隔震体系在减震机理、振动特性及设计方法等方面均有别于基础隔震结构。通过有限元分析,研究了土-结构相互作用(SSI)对层间隔震结构地震响应的影响,探讨场地土弹簧刚度,隔震层水平刚度等参数变化时,考虑SSI作用下层间隔震结构地震响应的变化规律。研究表明:SSI效应使得层间隔震结构刚度弱化,引起其周期延长,土越软地震效应越大;SSI效应对层间隔震结构的地震响应,如体系的基底剪力、顶层位移、层间位移、层间剪力等,均造成不同程度的影响,土越软效果越明显;隔震层水平刚度对体系地震响应也存在一定影响。     

新型三维隔震装置设计及数值模拟

基于铅芯橡胶隔震支座力学性能,设计研发一种新型三维隔震装置,介绍三维隔震装置的构造、变形机理及竖向刚度理论计算公式。将该三维隔震支座用于某工程,基于有限元软件建立结构模型,根据结构特点设计三维隔震支座参数,分析原结构和隔震结构在3条地震波作用下竖向加速度、水平加速度、层间剪力和层间位移响应。结果表明,新型三维隔震支座具有良好的水平隔震性能和竖向隔震性能,均有较好的减振效果。     

考虑SSI效应及支座转动的隔震体系性能研究

土-结构相互作用对结构的地震反应有着重要的影响。隔震支座竖向变形引起的隔震层转动会加剧上部结构的摇摆,进而放大结构的地震响应。提出基于Timoshenko理论的考虑SSI效应及隔震层转动影响的隔震结构通用计算模型,推导并求解结构运动方程,采用虚拟激励法进行随机响应分析,进一步研究隔震层转动刚度、土体参数等对隔震结构地震响应的影响规律。分析表明：SSI效应降低了隔震效果,其对隔震结构楼层转角位移放大的影响与土-结构刚度比有关。隔震层转动刚度变化对隔震结构顶层加速度、基底倾覆力矩等影响较小,但对结构楼层转角位移有较大影响,隔震层转动刚度取值较小时,上部结构楼层转角甚至会出现大于抗震结构的情况。