平扭耦聯(lián)隔震體系隔震墊阻尼分布影響研究.doc

天津大學碩士學位論文平扭耦聯(lián)隔震體系隔震墊阻尼分布影響研究姓名：嚴昕申請學位級別：碩士專業(yè)：結構工程指導教師：王鐵成20090501中文摘要隔震體系區(qū)別于傳統(tǒng)結構體系，通過設計隔震層，來減小結構的地震反應，確保結構體系的安全。隔震技術在我國建筑抗震設計規(guī)范已經(jīng)作為正式內容列入，國外也有類似規(guī)范。隔震體系通過隔震層的耗能裝置來吸收并消耗地震能量，相對于傳統(tǒng)的抗震體系有著更好的耗能特性。經(jīng)過長時期的研究，隔震技術已經(jīng)取得了較大的研究成果。本文對隔震支座的阻尼特性進行了研究，研究不同阻尼分布對隔震效果的影響。為了研究不同阻尼分布對隔震效果的影響，采用不同隔震墊的阻尼不同分布進行振動臺試驗。試驗框架為一三層鋼框架在振動臺試驗中，運用四個加鉛隔震支座和兩個無鉛隔震支座，進行不同支座布置工況和不同偏心情況的平扭耦聯(lián)振動臺試驗。測試采用加速度傳感器、激光位移傳感器以及力傳感器進行測量，分析時程曲線，比較結構的隔震效果。研究結果表明：隔震層的水平剛度越小，結構的位移反應和絕對加速度反應越小，隔震層的位移也相對增大；結構的阻尼比應當控制在適當范圍內，在一定范圍內增大阻尼可以減小隔震層的相對位移；加鉛隔震墊相對于普通隔震墊可以達到更好的隔震效果：阻尼布置在偏心結構體系中單位面積質量較大的部分比布置在單位面積質量較小的部分隔震效果好，其中加速度和位移響應的最大值要??；有限元分析結果計算表明有限元計算值與試驗結果數(shù)值吻合較好。關鍵詞：隔震支座阻尼平扭耦聯(lián)有限元獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得丞空盤鱟或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學位論文作者簽名：歹唄簽字日期：叩年籮月學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解苤宣盤鱟有關保留、使用學位論文的規(guī)定。特授權苤鲞盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。（保密的學位論文在解密后適用本授權說明）學位論文作者簽名：歹斥導師簽名：簽字日期：己年多月日簽字日期：。年月；日第一章緒論引言第一章緒論隔震結構體系通過在建筑物的基礎和上部結構之間設置隔震層，將建筑物分為上部結構、隔震層和下部結構三部分。地震能量經(jīng)由下部結構傳到隔震層，大部分被隔震層的隔震裝置吸收，僅有少部分傳到上部結構，從而大大地減輕地震作用，提高隔震建筑的安全性。傳統(tǒng)的抗震結構是通過結構和結構構件來抵抗并消耗地震能量的，設計時將地震作為一種外加荷載，與作用在結構上的其他荷載進行組合來設計和驗算結構是否滿足使用要求。隔震結構則增加了專門的變形和耗能裝置：橡膠隔震支座和阻尼器，橡膠隔震支座具有提供豎向承載能力、彈性復位能力、良好的變形能力等特性，此外鉛芯橡膠隔震支庫還具有消耗地震能量的耗能特性。另一方面，傳統(tǒng)的抗震結構體系中，低層建筑基本自振周期與地震動的卓越周期接近，而隔震結構體系通過隔震層的設計，使結構的周期延長到秒，能夠有效地降低了結構的地震加速度反應。非規(guī)則布置隔震結構，特別是平面扭轉非規(guī)則布置隔震結構，近年來受到越來越多的專業(yè)學者的關注和重視，并進行了不少有關方面的研究。年等人在對滑移隔震結構的研究中指出，隔震結構的扭轉反應與非規(guī)則的扭轉反應相比較時可以忽略。等人通過研究多層基礎隔震結構在波作用下的非線性反應，并與試驗進行比較后指出，等人的研究結論只適用于扭轉剛度大的隔震結構，對一般的隔震結構不適用。日本學者武田壽一采用反映隔震建筑特征的最下層剛度較低的模型，研究了偏心結構的抗震振動特性，結果表明合理的布置隔震裝置可以很好的抑制結構的扭轉變形。國內西安建筑科技大學的王建強、姚謙峰等人對基礎隔震偏心結構的扭轉振動反應進行了分析研究，研究結果表明：隨著隔震層偏心距的增大，隔震系統(tǒng)的減震效果降低，上部結構的扭轉反應隨著隔震層偏心距和結構偏心距的增大而增大。華中科技大學的江宜城、唐家祥等人在對單軸偏心的基礎隔震結構的研究中指出，通過減小隔震層的剛度偏心可以抑制整個結構的扭轉變形比。第一章緒論隔震結構體系的特點基礎隔震結構體系通過在建筑物的基礎和上部結構之間設置隔震層，將建筑物分為上部結構、隔震層和下部結構三部分。地震能量經(jīng)由下部結構傳到隔震層，大部分被隔震層的隔震裝置吸收，僅有少部分傳到上部結構，從而大大減輕地震作用，提高隔震建筑的安全性【。傳統(tǒng)的抗震結構是通過結構和結構構件來抵抗并消耗地震能量的設計時將地震作用作為一種外加荷載，與作用在結構上的其他荷載進行組合來設計和驗算結構是否滿足設計和使用要求。隔震結構則增加了專門的變形和耗能裝置：橡膠隔震支座和阻尼器，橡膠隔震支座具有提供豎向承載能力、彈性復位能力、良好的變形能力等特性，此外鉛芯橡膠隔震支座同時還具有消耗地震能量的耗能特性。另一方面，傳統(tǒng)的抗震結構體系中，低層建筑物的基本自振周期與地震動的卓越周期接近，而隔震結構體系通過隔震層的設計，使隔震結構的周期延長到秒，能夠有效地降低了結構的地震加速度反應。隔震體系根據(jù)隔震裝置和隔震原理的區(qū)別可分為以下三類：）采用橡膠隔震支座的隔震體系；）滑動、移動、滾動及摩擦隔震體系；）懸掛、懸浮、項支撐隔震體系。為了達到明顯的減震效果，隔震裝置或隔震體系必須具備以下四項基本特性：）承載特性：隔震裝置具有較大的豎向承載能力，在建筑物使用狀況下，安全地支承著上部結構的所有重量和使用荷載，具備很大的豎向承載力安全系數(shù)，確保建筑物在使用狀況下的絕對安全和滿足使用要求；）隔震特性：隔震裝置具有可變的水平剛度特性，使上部結構在地震中的水平變形，從傳統(tǒng)抗震結構的“放大晃動型”變?yōu)楦粽鸾Y構的“整體平動型”，確保上部結構在強震中仍處于彈性狀態(tài)。同時，為了隔離豎向震動，要求隔震裝置具有合適的豎向剛度，使隔震體系得豎向自振周期遠離上部結構的自振周期及場地（或震源）的特征周期，從而明顯有效地隔開豎向震動，降低上部結構的震動反應；）復位特性：由于隔震裝置具有水平彈性恢復力，使隔震結構體系在地震中具有瞬時自動“復位”功能。地震后，上部結構回復至初始狀態(tài)，滿足正常使用要求；）阻尼消能特性：隔震裝置具有足夠的阻尼，較大的阻尼可使可使上部結構的位移明顯減少。國內應用前期側重于一般的以磚混為主的民用多層住宅工程，約占總量的近。年以后，應用轉為公共建筑如辦公樓、體育場館、會議中心等。國外則始終主要應用于大型公共工程，比如辦公樓、圖書館、醫(yī)院、指揮控制中心等，第一章緒論日本相對應用在住宅工程多一些，近幾年正開始研究民用低層住宅中的應用。而且在高層、超高層的應用也有一些，其相關的研究比較活躍。國內應用以新建工程為主，在加固和加層方面，僅有少量工程應用，基本是用作加層。國外不僅應用在新建工程中，而且應用在舊有的具有歷史意義的建筑物的加固，如美國有高的鹽湖城市政大樓、層的洛杉磯市政大樓、意大利的圣彼得教堂、新西蘭的舊議會大廈等。年日本阪神地震后，為提高房屋安全性和改造需要，年日本完成了對一棟年建成的層的辦公樓的中間層隔震加固，這也是當時世界上第一棟采用層間隔震技術的高層建筑。隔震基礎體系的發(fā)展概況早期發(fā)展概況基礎隔震在工程中應用的歷史可追溯到一千多年前，我國許多完好保存至今的古建筑就是很好的實例。北京故宮是世界上現(xiàn)存最大最完整的古建筑群，設有糯米加石灰的柔性減震支座層，容許上部結構與基礎之間在地震時產(chǎn)生滑動或摩擦，這與現(xiàn)代的基礎隔震有異曲同工的效果。始建于唐朝的西安小雁塔（公元年），為密檐式方形磚構建筑，平面呈方形，底邊各長，塔身寬度自下而上逐漸遞減，愈上愈窄，全部輪廓呈現(xiàn)出嬌媚舒暢的錐形形狀，現(xiàn)存級，高約。塔基用夯土筑成一個半圓球體，土層深而廣，塔身結構重心偏下，類似“不倒翁”結構，在地震作用下，壓力均勻分散，能通過整體結構產(chǎn)生晃動摩擦消耗地震能量。史載該塔歷經(jīng)余次地震，大地震曾使該塔次開裂，又次復合，迄今仍巍然屹立。在國外也有不少古建筑由于采用了消能、隔震的結構控制措施而在多次大地震后得以幸存。但是，古建筑的結構控制措施是古代能工巧匠憑經(jīng)驗和直覺實現(xiàn)的，并沒有形成理論體系。為追求更高的抗震安全性，在世紀末，專家學者們就設想在建筑物上部結構和基礎之間設置滑移層或緩沖層，作為隔離裝置，阻止強大的地震能量向上傳遞，這是基礎隔震技術的思想萌芽。年，冠以最早的隔震建筑名稱的帝國飯店在東京建成，設計人懷特用密集的短樁穿過表層硬土，插到軟泥土層底部，利用軟泥土層作為“防止災難性沖擊的隔震墊”，當時引起了極大的爭論和關注。在年的關東大地震中該建筑保持完好，經(jīng)受了地震的考驗，而其它建筑物普遍嚴重破壞。年中村太郎提出了吸收地震能量的必要性和增加阻尼器的做法。這正是以前各種隔震方案所忽略的。雖然限于當時的理論和技術水平，這些隔震方案大都沒有實施，但隔震思想已經(jīng)逐漸有了清晰的輪廓，所提出的概第一章緒論念已具備了現(xiàn)代隔震機構和系統(tǒng)的基本要素。國外的發(fā)展概況世紀初，法國、日本、新西蘭、美國、英國等學者分別以不同的形式提出了隔震減震的設想。包括在基礎與建筑物之間鋪設滑石或云母作隔震層的隔震方法，以彈簧及球體進行隔震的方法，柔弱底層的減震構想（方法）等。日本學者還提出了隔震體系應兼?zhèn)溟L周期和吸收地震能量兩種特性。這些概念己經(jīng)具備現(xiàn)代隔震技術和系統(tǒng)的基本要素。但由于受當時理論和技術發(fā)展水平的限制，設計理論、設計方法和技術及試驗方法等多方面的不成熟，還不能進行定量的分析計算，這些思想較難在工程中應用。世紀年代以來，新西蘭、日本、美國等多地震的國家對隔震系統(tǒng)投入相當多的人力物力，開展了深入系統(tǒng)的理論、試驗研究，取得了卓有成效的成果。年，新西蘭學者等率先開發(fā)出了實用的隔震元件一鉛芯橡膠支座，大大推動了隔震技術的實用化進程。年在新西蘭完成的政府辦公大樓，是世界上首座采用鉛芯橡膠墊的隔震建筑，該大樓設計人員從年開始對各類阻尼耗能器進行比較分析，以選擇最優(yōu)化的設計。年日本建成第一棟現(xiàn)代隔震建筑，是一座二層民宅。年，美國建成的加州圣丁司法事務中心是美國的第一棟隔震建筑，也是世界上第一座采用高阻尼橡膠隔震支座的建筑同時，美國、法國等也作了一些摩擦隔震的建筑。年代初期，應用隔震技術，對有近百年歷史的鹽湖城市政大樓進行了加固，同時也越來越多地應用在橋梁上。在發(fā)展中國家，如印尼、智利、亞美尼亞等也在聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展署）的支持下，對低造價隔震元件的應用進行探索，建造了一些試點工程。馬來西亞橡膠研究所研制開發(fā)了自己的橡膠隔震支座。到九十年代中期，美、日、新、法、意等國建造了棟左右的采用橡膠支座的隔震建筑和橋梁。隔震技術由研究階段逐漸進入了一個推廣應用階段。進入到上世紀年代，隔震結構的理論分析日漸成熟，分析模型已經(jīng)由簡單的單質點分析模型、多質點模型發(fā)展到三維空間模型。等開發(fā)了隔震結構專用的三維非線性動力分析程序，這是一款專門用于隔震結構計算的軟件，能用于計算隔震結構的各種數(shù)值【】【。新西蘭學者、美國學者等都相繼寫出了關于橡膠隔震系統(tǒng)理論研究和應用的專著，系統(tǒng)地總結了隔震元件和體系的構成、各種分析模型、設計標準和工程應用方面的成果】【】【。同時，各國（美國、日本、新西蘭等）相繼推出自己的更加詳盡和嚴格的隔震建筑設計規(guī)范和隔震支座的質量和驗收標準，以保證其在大規(guī)模應用時的可靠性。隔震元件特別是橡膠支座的生產(chǎn)開始向工業(yè)化方向發(fā)展。隔震橡膠支座的尺第一章緒論寸和應用的范圍越來越大。大型試驗和檢測設備也不斷發(fā)展，使得大型隔震支座的足尺試驗成為可能，相應的高性能、大直徑的橡膠支座開發(fā)和應用發(fā)展很快。從國外隔震研究和應用的歷程來看，以橡膠隔震支座為主流的現(xiàn)代隔震技術從系統(tǒng)研究到廣泛應用大致經(jīng)歷了三十年左右的時間。這期間共過大量的理論研究、試件和模型結構試驗、試點工程建設。經(jīng)過不斷發(fā)展、完善，隔震技術進入一個比較成熟的階段，美國、日本、新西蘭、意大利等都頒布了相應的標準、指南或規(guī)范。國外的隔震技術開始主要應用在辦公樓、政府機構、生命線工程等比較重要的建筑，并且呈現(xiàn)快速增長的趨勢。進入到上個世紀年代后期，隔震建筑在日本開始向民用住宅發(fā)展，而且應用量比較穩(wěn)定地逐漸增加。而在美國、新西蘭等國家，由于規(guī)范和設計標準過于嚴格等原因，深入研究多，工程應用基本上處于一個少量階段。另外一個特點是國外將隔震技術應用在具有歷史價值的建筑的抗展加固，如美國的鹽湖城市政大樓、新西蘭的惠靈頓舊議會大廈和議會圖書館等。國內的發(fā)展概況年，李立進行了試驗研究和理論分析，提出了砂墊層隔震思想在八十年代在北京中關村建成了我國第一棟四層磚混砂墊層隔震建筑。年，劉德馨、李立發(fā)展了多層房屋滑移隔震機構的分析模型及其非線性地震反應分析方法。年，高云學、楊玉成等進行了多層磚房模型的隔震試驗，證實了隔震效果和結構反應加速度沿結構高度的分布規(guī)律。同年張曉臨和宋秉澤教授研究了多層隔震結構的滑移和搖擺問題，并進行了輸入正弦波的振動臺模型實驗。郭春雨、龔思禮對基底滑動摩擦隔震建筑在同時受到水平和豎直雙向地震作用時的結構反應進行了分析，張作運對該結構的水平搖擺及水平扭轉耦聯(lián)的振動情況進行了分析。年前后，劉德馨等對摩擦和限位消能元件相結合的基礎隔震體系進行了理論分析，并提出了實用設計方法吼進入年代后，橡膠支座隔震技術的研究逐漸趨于成熟，隨著隔震橡膠支座的國產(chǎn)化生產(chǎn)，此項技術己成為工程應用的主流。以周福霖、周錫元、唐家祥等為代表的一批學者在隔震結構分析和設計方法、結構模型振動臺試驗、橡膠支座產(chǎn)品性能檢驗檢測技術、施工技術，特別是在橡膠隔震支座國產(chǎn)化等方面開展了全方位的研究工作，逐步在我國開發(fā)出了橡膠支座隔震建筑的成套技術。我國第一棟采用橡膠隔震支座的基礎隔震房屋是汕頭市陵海路八層框架結構商住樓。該示范樓由聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織資助，周福霖主持研究設計與建造，年月建第一章緒論成。與非隔震樓相比，地震反應降為，大幅提高房屋安全性，造價節(jié)省，既安全又經(jīng)濟，為隔震技術的推廣應用做出了重要貢獻。近年來國內外的隔震研究，總的來說，向高層和超高層隔震（包括層間隔震）、三維隔震（包括豎向）和智能化控制應用發(fā)展，這必然帶來大型支座復雜應力下的可靠性研究、豎向和三維隔震元件開發(fā)、高層和超高層隔震結構的動力反應分析和設計方法等的發(fā)展。年太原建成一棟九層摩擦滑移隔震房屋，并于年進行了成功試推。到上個世紀末，摩擦滑移隔震的應用發(fā)展基本進入了少量應用階段。上個世紀年代后期，我國學者開始關注橡膠支座隔震技術。上個世紀年代末至年代初期，華中理工大學唐家祥等在國家自然基金會的支持下，對橡膠支座隔震元件和體系進行了系統(tǒng)的理論、試驗和應用研究，并率先自主開發(fā)了橡膠支座產(chǎn)品。年，編著出版了國內第一部建筑隔展專著建筑結構基礎隔震。年，首次對橡膠支座的耐久性機理進行了試驗對比研究，提出了科學解釋【】。接著，又對豎向隔震進行了系統(tǒng)研究，提出了一些有價值的成果。年以來，配合當時設計規(guī)范（程）、產(chǎn)品標準的編制和工程應用，對橡膠支座進行了大量的性能試驗。同期，周福霖等對橡膠支座隔震技術在國內的應用進行了探索，特別是在工程應用和標準編制方面，對于推動我國隔震技術應用起了較大的積極作用，并指導建成國內第一家專業(yè)的橡膠隔震支座生產(chǎn)廠家。年，作了橡膠支座隔震框架的振動臺試驗和大量的常用的橡膠隔震支座的性能試驗研究。年，周福霖編著出版了工程結構減震控制一書。年，劉文光等對大直徑橡膠支座的力學性能進行了足尺試驗，也對橡膠支座的耐久和耐火性能進行了試驗研列】。年，益為堅、黃為明等對橡膠支座的性能進行了試驗研究。年，張敏政等對鉛芯橡膠支座的性能作了試驗研究。上個世紀年代初期，周錫元、劉季、周福霖等聯(lián)合承擔了國家“八五”重大攻關課題砌體結構隔震減震方法及其工程應用，開展了從理論到應用的系統(tǒng)研究，并進行了橡膠支座動力響應試驗和實際工程的動力測試。該課題年底通過鑒定和驗收，并被列為建設部重點推廣項目。這是國內各研究機構、研究人員聯(lián)合攻關的成果，也是橡膠支座隔震技術的研究已經(jīng)初步系統(tǒng)化、實用化的一個標志。年，周錫元等針對工程應用，對橡膠支座的穩(wěn)定性和臨界荷載、橡膠支座及其與柱串聯(lián)系統(tǒng)的水平剛度計算方法、橡膠支座的限位與保護、簡化計算設計方法等進行了深入的理論和試驗研究。第一章緒論年，施衛(wèi)星等進行了橡膠支座的試驗和研制工作。同期，中高烈度區(qū)如山西、云南、陜西、江蘇、甘肅等都相繼開展了橡膠支座的開發(fā)和應用研究。到上個世紀末，國內研究已經(jīng)取得了大量成果，包括橡膠支座性能測試和檢測技術、施工要求、隔震結構體系的實用設計方法和要點、隔震支座節(jié)點作法及隔震層構造措施等，基本形成了橡膠支座隔震建筑的成套技術。本世紀初，我國相繼頒布了隔震技術相關的規(guī)范、規(guī)程和標準圖集，標志著國內的隔震技術也進入了成熟應用的階段。這些標準主要包矧】【】：建筑隔震橡膠支座產(chǎn)品標準，國家建筑工業(yè)行業(yè)標準，該標準規(guī)定了隔震支座的定義、分類、性能要求及檢驗方法等。該標準年月發(fā)布，年月實施。建筑抗震設計規(guī)范（），國家標準，其中專門新增第章隔震與消能減震設計，規(guī)定了隔震建筑的適用范圍、設計要點、驗算要求、構造措施和要求等。該規(guī)范年月發(fā)布，年月實施。建筑結構隔震構造詳圖（），國家建筑標準設計圖集，該圖集適用于橡膠隔震支座等部件組成的隔震層的結構布置、節(jié)點設計、構造連接等方面的標準做法，指導廣大設計人員準確理解隔震層相關做法。該標準圖集年月發(fā)布，年月執(zhí)行。進入到世紀，對隔震技術的研究有了進一步發(fā)展。大直徑橡膠支座性能、隔震加固、三維隔震和混合隔震系統(tǒng)、高層和超高層隔震、層間隔震、隔震系統(tǒng)保護裝置等成為隔震研究的新熱點。年，徐忠根等對北京某磚混結構的大型醫(yī)院采用基礎隔震技術的加固方案，進行了詳細的設計分析和施工工法研剄引。朱玉華、呂西林等對鉛芯橡膠隔震結構進行了多向地震輸入的振動臺試驗研究，得出了水平雙向地震動輸入時結構地震反應比單向輸入時小，而三向地震動作用下同比有明顯增加，豎向與水平地面運動的相關性對結構反應的影響不能忽視；采用雙線性與粘滯的組合分析模型模擬鉛芯的滯回特性，計算結果與振動臺試驗結果符合較好【】。接著，又對滑移板橡膠支座組合隔震系統(tǒng)進行了多向地震輸入的振動臺試驗研究和建立了組合支座的分析模型，得出了滑移系數(shù)大小對隔震效果的影響和豎向地震輸入對水平隔震效果有顯著影響，同時橡膠支座會有拉應力出現(xiàn)【】【。年，李黎等對土耳其的一棟框剪結構的十層住宅的基礎隔震加固方案進行了計算分析，并提出了詳細的構造措施和混凝土柱和剪力墻下的支座安裝工法【。年，徐忠根等對某實際工程二層大平臺與平臺上多塔樓之間設置隔震層的隔震效果進行了計算分析【】【。年，李宏男、吳香香等對場地條件、第一章緒論隔震支座布置、上部結構剛度、豎向地震動等因素對橡膠支座隔震結構的高寬比限值的影響【】【】【刪。年，施衛(wèi)星等對盆式支座和橡膠支座組成的組合支座在跨度達的巨型析架的應用進行了介紹，分析了高位隔震的特點，驗證了該大型組合支座具有同時釋放溫度應力和減輕地震作用的效果【。年，麥敬波、周福霖對橡膠支座和彈性滑板支座并聯(lián)復合隔震體系的力學特性、參數(shù)分析模型、設計參數(shù)優(yōu)化、時程分析算法等進行了比較詳細的研究年，劉文光等對橡膠支座的壓縮、拉伸、回轉、屈曲等各種性能進行了深入研究，同時對大高寬比隔震建筑進行了振動臺試驗研究，提出了應用剪切型兩質點計算模型和高寬比影響系數(shù)的大高寬比建筑地震反應預測方法和實用設計方法【】【。年，徐龍河等對基礎隔震磁流變阻尼器的混合控制系統(tǒng)進行了研究，并進行了算例驗證。年，孟慶利、張敏政等對基礎隔震上部結構變剛度阻尼半主動控制的混合隔震體系和三維隔震體系進行了理論和振動臺試驗研究，驗證了其有效性。年，蘇經(jīng)宇、趙亞敏、曾德民等研發(fā)了碟形彈簧和橡膠支座組成的三維隔震支座，并進行了橡膠支座隔震體系、三維隔震支座體系、磁流變阻尼器橡膠支座混合隔震體系的一系列振動臺試驗研究，驗證了三維隔震支座和混合隔震體系的有效性，并提出了存在問題和今后可能的研究方向。年，薛素鐸、莊鵬等設計、制造了形狀記憶合金和橡膠支座組成的復合隔震支座及其改進型【】。年，祁皚等對層間隔震技術的工作機理、地震反應特點、影響隔震效果的主要參數(shù)等進行了深入的理論和數(shù)值分析，提出了層間隔震結構的設計思路。橡膠支座隔震系統(tǒng)發(fā)展概述近二三十年來，由于大量強震記錄的積累，結構非彈性動力分析方法的趨于成熟，振動臺實驗設備的研制成功，特別是實用的隔震元件（疊層鋼板橡膠墊）的開發(fā)取得了重大進展，基礎隔震技術已經(jīng)從理論探索、實驗研究階段，發(fā)展到示范應用和推廣使用階段。疊層鋼板橡膠支座主要適合于一定高度的剛性結構、磚石或鋼混結構。七十年代初，新西蘭的科研技術人員率先開發(fā)了可靠、經(jīng)濟、實用的隔震元件（鉛芯疊層橡膠墊），大大推動了隔震技術的實用化進程。加鉛芯后的橡膠支座的臨界阻尼比從增加到一，這樣，即使不用其它的阻尼器也可以滿第一章緒論足隔震設計的阻尼要求，而且具有價廉的優(yōu)勢。世界上首座使用鉛芯橡膠支座的建筑是年在新西蘭建造的惠靈頓威廉克雷頓大樓，這是一座四層高的鋼筋混凝土結構辦公樓，緊靠惠靈頓斷層。疊層橡膠支座隔震體系是將整個上部結構放置在疊層橡膠支座上，由橡膠支座構成隔震層，以減少地震能量向上部傳遞。現(xiàn)在，常用的疊層橡膠支座有標準橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等多種。我國學者在年代后期開始關注橡膠支座隔震技術，年代后橡膠支座隔震技術的研究逐漸趨于成熟。年代以來國內進行了橡膠隔震支座研制、隔震結構分析和設計方法、結構模型振動臺試驗、橡膠支座產(chǎn)品性能檢驗、檢測技術、施工技術等全方位的系統(tǒng)研究工作，提出了橡膠支座隔震建筑的成套技術。目前，我國建筑行業(yè)標準“疊層橡膠隔震支座隔震技術規(guī)程”已經(jīng)出臺，新的建筑抗震設計規(guī)范（）中，已經(jīng)增加了隔震和消能減震設計的專門章節(jié)。采用橡膠墊隔震的優(yōu)點己得到了廣泛的認同。本文的主要研究工作經(jīng)過長時間的發(fā)展研究，如今基礎隔震技術已經(jīng)系統(tǒng)化、實用化，它包括摩擦滑移系統(tǒng)、疊層橡膠支座系統(tǒng)、摩擦擺系統(tǒng)等等，其中目前工程界最常用的是疊層橡膠支座隔震系統(tǒng)。這種隔震系統(tǒng)，性能穩(wěn)定可靠，采用專門的疊層橡膠支座作為隔震元件，該支座是由一層層的薄鋼板和橡膠相互盛置，經(jīng)過專門的硫化工藝粘合而成，其結構、配方、工藝需要特殊的設計，屬于一種橡膠厚制品。目前常用的橡膠隔震支座有：天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等。以前研究的某些結論局限于一定的計算模型和基本假定，缺乏普遍性；還有待進一步的深入研究。其中，隔震墊阻尼分布的對隔震效果的影響還有待進一步的研究。針對以上情況，本論文的主要研究內容如下所示：擬根據(jù)隔震支座的結構特點和力學特性討論分析多個模型的分析特點和適用性。擬研究隔震層的水平剛度與結構的位移和絕對加速度以及隔震層的位移之間的關系。擬研究結構的阻尼比與隔震層的相對位移的關系，求出最佳阻尼比。完成鋼框架振動臺試驗，尋求阻尼分布在偏心結構中的最佳布置以及不同阻尼分布隔震效果的對比分析。擬運用軟件對試驗進行模擬，來驗證試驗結果的合理性，以及尋求阻尼分布在偏心結構中的最佳布置以及不同阻尼分布隔震效果的對比分析。第二章帶阻尼的隔震結構理論第二章帶阻尼的隔震結構理論隔震結構的計算模型隔震結構的計算模型由文獻】表述如下：隨著人們對地震和結構動力特性認識程度的加深，在過去幾十年中結構抗震理論的發(fā)展，大致上可以分為靜力、反應譜和動力三個階段。（）靜力理論階段年日本學者大森房吉提出震度法的概念。該理論認為：結構物所受到的地震作用，可以簡化為作用于結構的等效水平靜力，其大小等于結構重力荷載乘以地震系數(shù)，即（）式中口：地震動最大水平加速度：重力加速度：地震系數(shù)，其數(shù)值與結構動力特性無關此一理論提出時，一般認為結構是剛性的，故結構上任何一點的振動加速度均等于地震動加速度，結構上各部位單位質量所受到的地震力是相等的。（）反應譜理論階段上世紀年代美國受日本地震工程研究工作的啟發(fā)，開展了強地震動加速度過程的觀測和記錄，并于年月日取得了具有典型強地震動特性的。記錄。至年代，美國己經(jīng)取得了不少有工程意義的地震記錄，豐富了人們對地震動工程特性的認識，從而促進了抗震設計理論的重大發(fā)展，使抗震理論進入了反應譜階段。年代初，美國明確提出了利用地震記錄計算反應譜的概念，年代初，。將此設想加以實現(xiàn)。由子反應譜理論比較準確而又簡單的反映了地震動的特性，并根據(jù)強震觀測資料提出了實用的數(shù)據(jù)，在國際上得到了廣泛的承認。年代，這一抗震理論已基本取代了震度法，從而在抗震設計領域確立了反應譜理論的主導地位。反應譜理論考慮了結構動力特性與地震動特性之間的動力關系，通過反應譜來計算由結構動力特性（自振周期、振型和阻尼比）所產(chǎn)生的共振效應，但其計算第二章帶阻尼的隔震結構理論公式仍保留了早期靜力理論的形式。地震時結構所受到的最大水平基底剪力，即總水平地震作用為，（）（）式中，為地震系數(shù)，（）是加速度反應譜。（）與地震動最大加速度口比值，它表示地震時結構振動加速度的放大倍數(shù)，即（型（）口（）動力分析理論階段年代中期以來，各國又相繼發(fā)生了一些強震，除取得了大量的地震動數(shù)據(jù)外，還取得了很多結構的地震反應一記錄，更重要的是取得了一些受到地震嚴重破壞的結構的地震反應記錄，從而促進了地震工程研究的迅速發(fā)展。從表征地震動的振幅、頻譜和持時三要素來看，靜力理論考慮了結構振動的振幅最大值，反應譜理論雖然同時考慮了結構各頻段振幅的最大值和頻譜兩個要素，但是這個因素卻始終未能在結構設計理論中得到明確的反映。年美國圣費爾南多地震的震害，使人們清楚的認識到地震持時對結構的破壞作用，從而推動了采用地震動加速度過程來計算結構反應的動力方法的研究。時程分析法將地震波按時段進行數(shù)值化后，輸入結構體系的振動微分方程，采用逐步積分法，如線性加速度法、一法、一目法或法，進行結構的彈性或彈塑性動力反應分析，計算出結構在整個地震過程中的振動狀態(tài)，給出各個時刻各結構構件的內力和變形，以及構件出現(xiàn)塑性鉸的順序。此一新理論不但考慮了地震動的持時，更進一步地考慮了地震動過程中反應譜理論所不能概括的其他特性，如可以說明結構的屈服機理和確定結構的薄弱環(huán)節(jié)等。從結構的強度和變形兩個方面來檢驗結構的安全和抗震可靠度。建筑隔震橡膠支座分析模型根據(jù)文獻，建筑橡膠隔震支座是隔震建筑的關鍵部件，主要用于隔離水平震動。因此正確選用計算水平剛度的力學模型，是決定隔震建筑結構分析結果是否合理的關鍵。常用的隔震支座一般有：普通橡膠支座（，簡稱），鉛芯橡膠支座（，簡稱），滑動支座、支座等；和隔震支座配套使用的阻尼器一般有：鉛阻尼器、軟鋼阻尼器、油阻尼器等各種粘滯阻尼器和滯變阻尼器。第二章帶阻尼的隔震結構理論隔震支座力學模型隔震支座的力學模型的選用應該與結構分析的要求相適應，并能滿足一定的精度要求。一般說來，由于支座均具有較大的阻尼或者說滯回耗能性能，力學模型的采用應該合理考慮這些特性。下面介紹最常用的隔震支座力學模型哺。等效線性（線彈性）模型用一個線性剛度和一個阻尼來等效支座的力學性能是最簡單的模型，也是隔震建筑結構分析時最常用的模型，如圖所示。采用等效線性模型進行結構分析計算時，支座力學模型參數(shù)的確定往往需要進行多次迭代計算才能得到足夠精度的計算結果，因此該分析方法稱作等效線性化方法，相應力學模型的參數(shù)也被稱為等效剛度和等效粘滯阻尼比。在確定等效線性模型的力學參數(shù)時，線性剛度一般采用切線剛度或割線剛度，單方向的線性恢復力和位移關系為（），移，位移，圖恢復力和位移當把隔震支座的阻尼力單獨分析時，單方向的抗力可表示為以（）枯滯型阻尼一般和振動頻率有關，其模型參數(shù)通常用等效粘滯阻尼比來表示孝嘉寺（）。砌：拖、式中，亭是等效粘滯阻尼比；是等效阻尼耗能面積；形是彈性恢復力做功面第二章帶阻尼的隔震結構理論積；是等效線性剛度；是等效粘滯阻尼系數(shù)，一般由試驗測定，對于承受豎向荷載的粘滯阻尼，有孝（）式中，尸是支座豎向荷載；是隔震結構第一自振周期；是重力加速度；，、分別是支座的恢復力和位移。鉛芯橡膠支座、具有非線性特性的高阻尼橡膠支座、各種非線性粘滯型阻尼器、滯變型阻尼器可以適用等效線性模型，特別是采用等效線性化方法進行結構分析時，也采用該模型來模擬其它各種類型支座的力位移關系。雙向線彈性支座可看作在兩個方向是相互獨立的。為了加速動力方程的求解過程，在實際求解過程中，所有的線彈性單元可以合成為，。，設其剛度中心為（。，），相對于隔震層質心（，）的剛度偏心為，。且，。一圪恢復力位移關系為：，？一，“，）（），（“；一“，）（），“，“，“，（）式中，打，（訝；），如，工，為第個支座的、方向剪切剛度及坐標。所有的線性阻尼器支座可以合成為合成阻尼：，合成阻尼中心（。，），相對于隔震層質心（占，匕）的阻尼偏心為巳。矗，一。阻尼恢復力一位移關系為：？一，“，）（）；一“，）（），“夕；“；（）其中，勺，（；工；），氣、勺、和少，為第個支座的、方向阻尼及坐標。對于具有方向性的單向線彈性支座來說，設其與主坐標軸軸所成的角度為第二章帶阻尼的隔震結構理論，則彈性恢復力和位移關系乏）后。；目七。；：護：）阻尼恢復力和位移關系置）。曰；秒。；：秒目髻：）隔震支座性能概述天然橡膠隔震支座性能概述（）（）由文獻】和文獻】，天然橡膠隔震支座由薄橡膠層和薄鋼板層交互疊置，經(jīng)高溫、加壓并硫化制作而成。支座內部橡膠除天然橡膠外，還添加有填充劑、補強劑和防老化劑等。橡膠隔震支座的幾何特性由第一形狀系數(shù)，和第二形狀系數(shù)來反映，第一形狀系數(shù)和第二形狀系數(shù)分別被定義為：。橡膠膠約束表面積。支座直徑橡膠自由表面積橡膠層總厚度，通常認為與橡膠隔震支座的豎向性能和支座界限性能相關，通常認為與橡膠隔震支座的水平性能相關，并與橡膠支座的穩(wěn)定性有關。橡膠隔震支座的水平剛度主要與橡膠材料和橡膠層的總厚度相關，因此在橡膠層總厚度相同的條件下，減少橡膠層單層厚度來增加支座豎向剛度的同時，水平剛度未改變，并且支座仍具有相同的變形能力。隔震結構中使用的橡膠隔震支座根據(jù)橡膠材料（邵氏硬度、或剪切彈性模量等）的不同，可以劃分成三類。早期的隔震技術研究試驗和工程應用多采用這一區(qū)域的橡膠支座進行。由于值偏大，隔震支座水平剛度偏大，現(xiàn)逐漸被第二類剪切彈性模量（低彈性）的天然橡膠隔震支座所取代，以期獲得更理想的隔震效果。低彈性橡膠隔震支座與中彈性橡膠隔震支座相比，水平剛度性能和極限變形能力更適合降低隔震結構的最大加速度和層間剪力反應。第三類是剪切彈性模量的天然橡膠隔震支座，這類隔震支座主要和滑板支撐配合使用，能夠擴大隔震結構在高層和超高層隔震領域的應用。橡膠材料的特征是彈性低、變形能力大。應力應變關系為反形非線性。橡膠材料的物理性能優(yōu)彈性模量、剪切模量、破壞延伸率等。彈性模量就是當延第二章帶阻尼的隔震結構理論伸率為時的模量。橡膠為非壓縮性材料（體積變化很?。?，泊松比約為。橡膠材料的常數(shù)的計算和試驗方法，根據(jù)防振橡膠的橡膠材料和加硫橡膠的物理試驗方法的規(guī)定采用。評價天然橡膠隔震支座力學性能的指標有豎向剛度特性、界限壓縮剛度、水平有效剛度和極限剪切變形能力等。天然橡膠隔震支座的設計豎向壓力早期在以下，近年隔震支座設計豎向壓力有逐漸增加的趨勢，高壓縮應力試驗結果顯示隔震結構在壓力以下時，其力學性能穩(wěn)定。日本常用的設計豎向壓力為時，地震時短期內的設計豎向壓力不超過：我國的相關規(guī)程中規(guī)定設計豎向壓力為到。天然橡膠隔震支座的壓縮界限壓力可以達到，接近設計壓力的倍。鉛芯橡膠隔震支座性能概述由文獻【】，鉛芯多層橡膠是在多層橡膠的中部圓形孔中壓入鉛。多層橡膠產(chǎn)生剪切變形時，利用鉛芯的塑性變形吸收能量，因此是一種阻尼器內置型多層橡膠。鉛芯在接近純剪切變形下，反復變形時可以發(fā)揮穩(wěn)定的能量吸收能力。此外，由于阻尼器與多層橡膠形成一體，可以節(jié)省空間，在施工上也較為有利。圖鉛芯橡膠隔震器的基本構造鉛芯橡膠隔震支座由于同時具有彈性變形、彈性恢復、承擔豎向荷載和耗能的特性，并具有施工簡便的特點，因此目前在多層隔震結構體系中應用廣泛。通過控制支座鉛芯的直徑，可以調整支座的耗能能力。在日本年全年度審查的隔震結構中，部分或全部采用鉛芯橡膠隔震支座的隔震結構數(shù)量占總數(shù)的以上，我國占至以上。評價鉛芯橡膠隔震支座力學性能的指標有豎向剛度特性、界限壓縮應力、水由第二章帶阻尼的隔震結構理論平有效剛度、屈服荷載、屈服后剛度、極限剪切變形能力和阻尼特性等。其豎向壓縮恢復力模型可按線性彈性模型采用，水平剪切恢復力模型按彈塑形恢復力模型采用。到目前為止，國內外應用于建筑結構、橋梁、設備等的隔震工程中，絕大多數(shù)采用“疊層橡膠支座”隔震技術。應用這一技術的建筑物或橋梁在我國、日本、美國等均己成功經(jīng)受了地震考驗。因此，它是一項較成熟的、可以廣泛推廣應用的隔震技術。疊層橡膠支座隔震技術的成熟，主要體現(xiàn)在下述幾個方面：具有足夠的豎向剛度和豎向承載力，能夠穩(wěn)定地支承建筑物。具有足夠柔的水平剛度，保證建筑物的基本周期延長到左右。具有足夠大的水平變形能力儲備，以確保在強震作用下不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。水平剛度受垂直壓縮荷載的影響較小。具有穩(wěn)定的彈性復位功能，能在多次地震中自動瞬時復位。具有足夠的耐久性，至少大于建筑物的設計基準期。我國學者在年代后期開始關注橡膠支座隔震技術，年代后橡膠支座隔震技術的研究逐漸趨于成熟。年代以來國內進行了橡膠隔震支座研制、隔震結構分析和設計方法、結構模型振動臺試驗、橡膠支座產(chǎn)品性能檢驗、檢測技術、施工技術等全方位的系統(tǒng)研究工作，提出了橡膠支座隔震建筑的成套技術。目前，我國建筑行業(yè)標準“疊層橡膠隔震支座隔震技術規(guī)程”已經(jīng)出臺，新的建筑抗震設計規(guī)范（），已經(jīng)增加了隔震和消能減震設計的專門章節(jié)。采用橡膠墊隔震的優(yōu)點己得到了廣泛的認同。鉛芯橡膠隔震支座本身具有彈塑性特性，對于這兩類隔震支座的恢復力模型也有不少研究人員建立了相關的彈塑性恢復力分析模型，其中馮德民、三山剛史等針對鉛芯橡膠隔震支座的卸載特性提出的了修正雙線性模型和模型組合恢復力模型。鉛芯橡膠隔震支座的恢復力分析模型主要有以下幾種【：（）線性模型（）鉛芯橡膠隔震支座滯回曲線有顯著的非線性性能，具有初始剛度。、屈服后剛度。和屈服力一通常采用有理想滯回阻尼特性的雙線性模型來模擬隔震層恢復力。彈性階段：（）（一）（一工，）一（一）。（）且戈，保持為，（。）（，），為隔震支座的屈服力，由鉛芯的屈服應力確定，。為隔震支座屈服后的位移。屈服階段：第二章帶阻尼的隔震結構理論（）（量）（）直至丈，并且此時。（）模型（）修正雙線性模型（）等對雙線性模型進行修正，提出修正雙線性模型。修正雙線性模型考慮了橡膠隔震支座剛度及屈服力對應變的依賴性，對屈服后剛度、卸載剛度及屈服力進行了修正：髟（）塒（）刪；功（）口（）棚；。（）（）（）甌日，棚肛鮒，；島，盯，（）式中（，）、。（，）分別為修正后屈服剛度和卸載剛度；傷（，）為修正后屈服力；幺如為支座剪應變寸時的屈服力；塒（）、耐（，）、口為由支座的實際試驗測定的常數(shù)；為鉛芯引起的強化系數(shù)；為支座剪應變；以為支座頂面和底面的相對位移；，為橡膠隔震支座總高度；為橡膠剪切模量；，為橡膠隔震支座面積；，為鉛芯面積；仃，為鉛屈服強度?！埃┬拚p線性模型模型影響鉛芯橡膠支座水平特性的主要因素鉛芯橡膠支座是在天然橡膠支座的中孔嵌入鉛芯構成的。鉛芯嵌入后與橡膠支座融為一體一起產(chǎn)生剪切變形，這種支座是利用橡膠支座良好的復原性能和鉛的良好的能量吸收能力所構成的隔震裝置。影響鉛芯橡膠支座水平特性的主要因素【】：剪切變形屈服后剛度。在剪應變小于時，隨剪應變的增大而減小；在剪應變達到之前，都表現(xiàn)出穩(wěn)定的雙線性恢復力特性；當剪應變過大時，屈服后剛度。出現(xiàn)硬化現(xiàn)象。豎向壓力、，屈服后剛度。隨壓應力的增大而減小，屈服力。隨壓應力的增大而增大。，豎向拉力隔震支座在豎向拉力的作用下，鉛的效果會降低，能量吸收能力減小，屈服力隨之降低。溫度影響外界環(huán)境溫度的升高和經(jīng)歷反復荷載作用后鉛芯的溫度增加，均會導致支座屈服力功的降低和屈服后剛度，的降低。第二章