隔震建筑抗极罕遇地震能力与主要破坏模式分析∗

隔震措施可以使上部结构在罕遇地震下处于弹性或轻微弹塑性状态,从而有效保护设防烈度下结构地震安全。但是,由于地震发生、强度和特性的不确定性,在设计基准期内结构也可能遭受极罕遇地震的作用,基于"大震不倒"设计的隔震结构在罕遇地震及极罕遇地震作用下隔震支座变形和结构整体抗倾覆安全以及实现抗极罕遇地震的能力和代价需要特别研究。本文通过弹塑性时程分析,比较三种不同高度的隔震结构层间位移角、叠层橡胶隔震支座位移及结构倾覆力矩,分析结构在极罕遇地震下隔震层(也即叠层橡胶支座)位移超限和整体倾覆的主要失效模式。结果表明:极罕遇地震下,基于"大震不倒"设计的隔震结构支座位移可能会超出限值,层间位移角和结构倾覆力矩通常可以满足要求。隔震支座尺寸适当增大、相应极限变形能力提高,能够控制极罕遇地震下结构隔震层变形破坏,但上部结构隔震效果有所下降;适当减小上部结构高宽比能够控制极罕遇地震下隔震结构、尤其高层隔震结构的整体倾覆破坏。因此,兼顾安全性和经济性,有效增大隔震支座极限位移、适当减小高层隔震结构高宽比,实现隔震建筑抗极罕遇地震能力,是付出代价不大、经济适用的一条有效途径。     

设置抗拔型三重摩擦摆隔震支座框架结构地震响应分析

抗拔型三重摩擦摆隔震支座是一种新型隔震支座。以框架结构为例,利用ANSYS软件建立了6层和10层普通抗震结构和带该支座的基础隔震结构模型;通过模态分析,得到了结构的自振周期;通过地震响应分析,提取了6层框架隔震层和顶层的位移、加速度和剪力时程曲线,并提取了不同层数不同结构类型的各层间位移、加速度幅值。结果表明:与抗震结构相比,基础隔震结构周期显著增大;隔震结构的变形主要集中在隔震层,隔震层以上的结构基本为整体平动,结构的地震位移反应得到了有效的减小;采用抗拔型三重摩擦摆隔震支座能降低结构地震加速度反应;设置抗拔型三重摩擦摆隔震支座的多层数隔震结构的能量衰减不如低层数的隔震结构迅速。     

高层隔震结构非线性地震响应分析及设计方法研究

高层隔震结构的分析理论和设计方法是目前隔震技术向高层建筑推广的2个关键理论问题。本文以高烈度区宿迁市已经竣工的高层隔震建筑阳光大厦为工程实例,对高层隔震结构的非线性地震响应分析方法进行了研究,包括隔震支座竖向不同拉压刚度的模拟、各种类型的隔震支座水平力学特性的准确模拟,以及不同地震动输入方式和输入角度对隔震支座受拉情况的影响分析等;在此基础上,对隔震层的设计方法进行了分析,提出了隔震层设计的基本原则,进而给出了控制隔震层设计的基本指标,包括隔震支座的长期面压、极值面压、隔震层偏心率等;最后,对高层隔震结构的相关构造要求进行了必要的说明。     

远场长周期地震动作用下减隔震连续梁桥的动力响应特性研究

近几年发生的几次大地震均出现了远场长周期地震动的破坏现象,为了揭示自振周期较长的减隔震连续梁桥在远场长周期地震动作用下的动力响应特性,采用非线性时程分析的方法,分别研究了常规地震动和远场长周期地震动作用下减隔震连续梁桥的地震响应,以及远场长周期地震动作用下减隔震和非减隔震连续梁桥地震响应的差异。结果表明:与常规地震动作用相比,远场长周期地震动作用时减隔震连续梁桥的地震响应明显增大,但依然小于板式橡胶支座桥梁的地震响应。这说明,在常规地震动作用下,铅芯橡胶支座减隔震性能发挥良好,在远场长周期地震动作用时,其减隔震性能依然能够发挥,但发挥效应相对常规地震动作用时较弱。这一现象在有关隔震桥梁的设计中应予以关注。     

考虑SSI效应的基础隔震框架结构抗震性态水平分析∗

目前针对于基础隔震结构的性态水平研究往往基于刚性地基假设，未考虑 SSI 效应对结构损伤的影响。因此，为研究柔性地基上小高宽比基础隔震结构的抗震性态水平，本文以拟建结构为背景，利用 ABAQUS 有限元软件建立该小高宽比基础隔震结构建筑物的有限元计算模型，依据相关规范规定，选取 El?Centro 波、Kobe 波和卧龙波，通过改变土体等效剪切波速设计扩展出 5 种场地，分析了地震动特性、场地条件以及输入地震动加速度峰值对该结构地震反应的影响规律，对该结构的损伤程度进行了统计分析。结果表明：柔性地基上随结构?土体相对刚度比的增大，基础隔震结构的上部结构损伤和隔震层损伤均增大，且上部结构的损伤明显滞后于隔震支座损伤，IV 场地在同等条件下损伤最严重；中长周期地震波对于隔震结构损伤影响较大；选取了层间位移角、隔震层位移作为抗震性态水平的量化指标，基于计算结果，本文初步给出了两类指标与结构?土体相对刚度比的预测公式，提出了不同类别场地下小高宽比基础隔震结构的抗震性态水平划分及其破坏程度的物理描述。     

考虑支座转角的地基不均匀沉降基础隔震结构地震响应分析∗

地基不均匀沉降可能会引起沉降范围内部分隔震支座发生转动，造成隔震层刚度发生变化，进而导致上部结构地震损伤和失效风险增大。针对地基不均匀沉降条件下基础隔震结构地震响应研究，现有成果大都通过施加平动位移进行模拟，并未考虑隔震支座转角的不利影响。为了研究地基不均匀沉降条件下基础隔震结构支座可能出现的转动及其对整体结构地震响应特征影响规律，首先以隔震支座为对象，研究了支座转动变形与叠层橡胶隔震支座水平刚度变化关系，建立了叠层橡胶隔震支座转角与水平刚度变化关系函数；在此基础上系统研究了地基不均匀沉降条件下整体基础隔震结构响应特征，以及基础结构的减震系数变化规律，以期揭示地基不均匀沉降对基础隔震结构地震响应影响机理。结果表明：隔震支座转角变形会引起隔震结构体系地震响应发生显著变化，随着隔震支座转角增大，隔震层水平刚度增大的同时隔震结构体系变形能力减弱，进而造成上部结构加速度响应增大，位移响应减小，导致基础隔震结构水平减震系数增大，减震效果低于预期；当转角接近π/2 时，隔震支座将丧失降低上部结构地震响应的作用，原隔震结构将退化为抗震结构；对于存在地基不均匀沉降的基础隔震结构，应及时采取必要措施控制地震响应，以防范上部结构发生倾覆。     

形状记忆合金丝-橡胶支座钢框架隔震效果分析

根据作者开发研制的形状记忆合金丝一橡胶复合支座，建立了传统抗震结构和两种不同支座隔震结构体系的运动方程，并对某个实际工程四层钢框架结构进行了数值模拟，分析其在阪神波和El Centro波作用下的时程反应。研究表明，SMA丝一橡胶复合支座是一种很有效的隔震装置，将它用于钢框架结构，能有效地减小结构的位移、速度及加速度时程反应，而对于加速度峰值较大的阪神波的隔震效果更为明显，说明该复合支座能有效地提供罕遇地震作用下钢结构的隔震效果。     

混凝土重力坝的地震响应分析

进行了某混凝土重力坝在多遇和罕遇地震荷载作用下的二维地震响应分析,比较了水位条件对大坝动力响应的影响。研究表明,在多遇地震荷载作用下,大坝应力应变关系基本处于弹性状态,在罕遇地震荷载作用下,最大地震动位移出现在大坝上侧,随着水位的上升,大坝上侧的位移和坝踵处动应力逐渐减小,而下游坝面折坡处的动应力基本不变。     

砂土液化对基础隔震结构地震反应的影响分析∗

砂土液化会对结构的地震反应产生不可忽视的影响,这一现象也将对基础隔震结构地震反应规律产生影响。 基于有限元方法,采用 ABAQUS建立了土?隔震结构非线性动力相互作用的整体有限元分析模型,针对不同地基液化情况对基础隔震结构地震反应规律及隔震效果的影响进行了深入分析。结果表明：隔震结构下部桩基础能够有效提高下部地基的抗液化能力,进而保证隔震结构的整体稳定性。总体来看,液化场地上隔震结构的隔震效果及地震反应与输入地震动的特性相关,近场地震作用下液化地基上隔震结构的隔震性能保持良好,而远场强震作用下液化地基上隔震结构的隔震效果降低。同时隔震层产生较大的位移反应可能导致隔震支座失稳或强度破坏,设计时需特别注意。     

基于高阶动力格式的基底隔震结构地震响应分析∗

隔震支座在强烈地震作用下将产生复杂的动力响应，精确掌握地震响应行为及其规律是研发高质量隔震支座和进行隔震结构设计的基础。在进行结构地震响应分析，特别是非线性分析时，采用传统逐步积分方法以及低阶格式建立起的动力时程分析方法都难以达到高精度，而采用传统高阶时间积分算法则会出现计算过程繁琐，工作量大等情况。本文采用一种基于高阶动力格式的显式时间积分新式算法，应用于基底隔震结构的地震响应分析中。首先通过自由度凝聚缩减原理，建立设置隔震支座钢筋混凝土框架结构简化计算模型；同时采用隔震支座恢复力双切线本构模型构建基底隔震体系运动方程，并转化为状态方程；进而基于微分求积（DQ）原理编制高阶动力格式算法求解状态方程；最后分析一高层基底隔震结构，在高、中、低不同频率地震波下地震响应，验证该方法适用性。结果表明，①利用静态凝聚技术建立隔震结构模型，从而构建地震响应状态方程，是高阶动力分析方法实施的基础。②结构高阶动力分析方法仅通过矩阵乘法运算即可获得结构动力响应，可较好且高效地用于解决非线性地震响应分析问题。③将结构高阶动力分析方法应用于基底隔震结构，能获得隔震结构较为精确的分析结果。     

极罕遇地震作用下LRB基础隔震结构地震响应特性

以上部结构分别为三层、五层、七层和九层的 LRB(铅芯橡胶隔震支座)基础隔震结构为研究对象,考虑了上部结构屈服强度比、刚度、硬化系数等的影响,通过大量的弹塑性时程分析,对极罕遇地震作用下隔震结构无碰撞以及隔震层与限位墙发生碰撞时的非线性响应特性进行了分析和对比。结果表明：增大上部结构屈服强度比,可以有效降低上部结构的层间位移和延性需求;当屈服强度比越小、上部结构刚度越大时,硬化系数对结构响应的影响越大;无碰撞时,对于上部结构基本自振周期在一定范围内变化的 LRB 基础隔震结构,相同的屈服强度比对应的上部结构延性需求、损伤状态基本一致,但是当隔震层与限位墙发生碰撞,上部结构破坏程度会有很大差异,特别是上部结构刚度较大时,延性需求增大非常明显,这种情况下上部结构破坏已经非常严重甚至会倒塌。     

大型储液罐的抗震性能分析及复合支座隔震研究

大型常压储液罐在地震作用下所受破坏将带来巨大的经济损失与次生灾害。为获取大型储液罐在地震作用下的响应并分析对其采取隔震措施后的效果,利用精细化有限元方法,建立了大型立式储液罐的模型,计算其振型,然后计算在不同储液量时,不同地震动作用下的储液罐地震响应,随后引入隔震支座,计算了隔震后的结构特性及地震响应,分析了隔震效率。结果表明,不同地震动作用下储液罐的地震反应有明显差异,随着储油量增加,其地震响应增大,满罐时的储液罐根部截面应力超过空罐时的2倍。利用铅芯橡胶隔震支座与滑动支座组合隔震后,能为结构带来较好的隔震效果,且随着储油量的增加,隔震效率随之增加,最大接近50%。     

考虑耦合地震作用的底层柔性结构体系振动控制

为了减小底层柔性结构的地震反应,防止结构因底层位移过大而倒塌,提出了一种底层柔性结构减震控制体系,在柔性底层安装磁流变阻尼器对其实施半主动控制。考虑到竖向地震的不利影响,建立了结构在双向耦合地震作用下的动力分析模型和振动控制方程,采用LQR控制算法对结构进行地震反应分析。研究表明,在无控情况下,结构的位移主要集中在底部柔性层;实施半主动控制后,结构的底层位移、顶层位移、各层加速度和倾覆力矩均明显减小,其中底层位移减小60%以上。在耦合地震作用下结构的地震反应比单纯水平地震作用下有所增加,以倾覆力矩的增加最明显,因此在高烈度地区应该考虑竖向地震对结构的影响。层间刚度比对结构的控制效果也会产生较大的影响,结构层间刚度比的确定应该在底层位移、顶层加速度和倾覆力矩之间权衡考虑。考虑土与结构相互作用会使结构的控制效果降低。     

近断层滑冲型地震动作用下框架-剪力墙-高层结构的IDA研究

近断层滑冲型地震动是一类特殊的长周期地震动,针对这一类地震动,现行抗震规范并未出台相应的条文,且有关单独考虑近断层滑冲型地震动作用下高层结构动力响应的研究成果很少。基于15条可靠的近断层滑冲型地震动,利用Perform-3D非线性分析软件进行建模,对一个30层框架-剪力墙高层结构进行了增量动力分析(IDA)。结果表明,近断层滑冲型地震动频率成分集中在0～2Hz范围段内,且其反应谱谱值在中、长周期段内明显大于普通地震动的。将最大层间位移角作为结构需求,得到正常使用(NO)、立即占用(IO)、生命安全(LS)、防止倒塌(CP)性能水平的量化指标限值依次为1/1 160、1/575、1/361、1/55。依据现行规范设计的框架-剪力墙高层结构,在近断层滑冲型地震动强度相当于多遇地震时,结构能够满足"小震不坏"的抗震设防目标;在相当于罕遇地震时,结构不能满足第三性能水准"大震不倒"的要求。     

近断层地震作用下基础隔震层组合限位振动台实验研究

近断层脉冲型地震作用下,基础隔震结构隔震层会产生过大变形,导致隔震支座侧倾失稳,隔震体系破坏。设计制作了3层基础隔震钢框架实验模型和11种U型钢板I型铅棒组合限位器,进行了U型钢板静力加载实验和近断层脉冲型地震作用下基础隔震层软碰撞限位振动台模型实验。实验表明:①静力加载时,U型钢板具有很好的弹性性能;②动力作用下,组合限位器残余变形较小,仍具有良好限位复位能力;③近断层地震作用下,基础隔震层软限位效果良好,同时控制上部结构层间变形在允许范围内。     

某耗能减震框肢剪力墙转换结构分析

采用复合型铅粘弹性阻尼器对带转换层框肢剪力墙结构的某酒店进行了耗能减震设计,对耗能减震结构和钢支撑结构进行了对比分析,包括反应谱和局部非线性多遇地震作用和罕遇地震作用下的时程分析。结果表明,底部框架结构布置复合型铅粘弹性阻尼器后,在多遇和罕遇地震情况下层间位移能满足《建筑抗震设计规范》要求,并且采用耗能减震结构能优化整体结构,不会对转换层上部结构产生不利的影响,能更好地改善结构的抗震性能。     

罕遇地震下敦煌莫高窟彩塑动力响应数值模拟

为研究敦煌莫高窟彩塑在罕遇地震下的安全性,根据其内部构造特点,建立从内到外分别由木骨架层、芦苇捆扎层、粗泥层和细泥层组成的精细化有限元模型,通过扫频试验与模态分析结果对比,验证了所建有限元模型能够反应实际彩塑的动力特性。在此基础上计算罕遇地震作用下的响应,通过对模型的应力、位移和加速度结果的分析,评价彩塑的抗震性能。结果表明:罕遇地震下,站姿模型最大应力仍在允许范围内,但已接近破坏值,最容易出现破坏的地方主要为模型腿部以下区域、脖子周围以及上半身与手臂相连接部分;坐姿模型最大应力则发生在后背下部与底座连接的地方,其值超出了粗泥层和细泥层的抗拉强度,出现拉伸破坏。二者最大响应点均位于模型顶部,坐姿的响应小于站姿。可以认为在罕遇地震作用下彩塑存在损坏风险。     

多类型地震动作用下高层结构的易损性分析

以低频成分为主的长周期地震动容易引起中、长周期结构的破坏,针对这类特殊的地震动,现行抗震规范没有相应的条文,且有关单独考虑长周期地震动作用下结构动力响应的研究成果很少。以一个30层框架剪力墙高层结构为例,利用Perform-3D三维有限元软件进行建模,选取10条远场长周期地震动、10条近场长周期地震动以及10条普通地震动,将最大层间位移角作为工程需求参数,S_a(T₁,5%)作为地震强度指标。基于增量动力分析方法对该结构进行动力时程分析,并定义了4个结构性能水平,然后统计不同地震强度下的结构需求,获取地震易损性曲线,最终对比评价了三类地震动作用下结构的易损性。     

响水风电基础地震动参数选取及抗震性能分析

响水风电场位于江苏省响水沿海滩涂地区,是国内目前单体较大的风电项目。本风电场是Ⅳ类场地条件对抗震不利,因此有必要对基础抗震性能进行验算。首先选取不同地震动参数进行了对比计算,计算表明根据风电场场区地形地貌、区域地质条件确定的地震动参数,考虑土层特性后,地震作用放大较多。然后针对在多遇地震和基本烈度地震两种情况下,综合考虑波浪力、风荷载的联合作用,对风电基础进行抗震验算,计算表明多遇地震烈度时,可满足现行建筑结构抗震规范的要求。基本烈度地震时,结构的应力、内力及其墩台处位移均满足抗震要求,但泥面处位移超过限制要求,泥面位移控制是抗震设计的主要目标。     

大位移摩擦摆底层和多层隔震韧性结构∗

结构韧性性能的目标是:在极罕遇地震作用时,结构不发生严重破坏;地震结束后,结构能恢复预期状态,进而恢复建筑功能的性能。隔震是结构韧性性能实现的关键技术,然而,结构隔震层位移响应超过允许值,引发隔震支座破坏,导致其减震性能失效,成为制约该类结构韧性性能目标实现的关键难题。本文以结构层作为滑动面,主体结构整体或滑动面之间的部分结构作为滑动块,提出大位移摩擦摆新型结构,通过隔震层的不同位置以及数量,构建大位移摩擦摆底层和多层隔震结构体系。分别建立该统一分析模型、探明其减震机理证明其良好减震性能,实现韧性结构性能目标。开展结构设计实现和韧性性能评价研究,表明了主体结构、非结构构件和大位移摩擦摆(支座和结构层)等地震损伤和恢复能力。本研究为韧性结构发展提供了结构新体系和关键发展方向。