桥式连体结构高位隔震研究

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1、⑧申请同济大学工学博士学位论文K785578桥式连体结构高位隔震研究培养单位：土木工程学院一级学科：土木工程二级学科：结构工程研究生：孙黄胜指导教师：施卫星教授二oo五年九月摘要隔震是一种有效的减轻结构地震反应的被动控制方法，它不仅适用于基础隔震，还适用于层间隔震、顶层隔震以及设备隔震等。隔震装置是隔震体系的关键元件，国内外许多学者花费了相当的精力来研究和开发各种高效的隔震装置。盆式橡胶支座是一种大吨位多向转动桥梁用摩擦滑移型支座，它能适应上部结构的伸缩变形和显著减小结构的地震反应。由于摩擦滑移型支座滞回曲线具有完全剐塑性特性，滑移后刚度几乎为零，存在地震时滑移位移反应过大和震后不

2、能自动复位的缺点，因此需将滑移摩擦型支座和复位向心机构结合使用。橡胶支座是广泛应用的隔震装置，但存在竖向承载力相对较小、耗能能力小以及与特定频率地震动相关的缺点，因此，一般将橡胶支座和阻尼装置结合使用。本文以上海国际赛车场新闻中心(空中餐厅)减震工程为背景，将由盆式橡胶支座和普通橡胶支座结合组成的组合隔震装置引入建筑结构高位隔震当中，结合二者的优点，由盆式橡胶支座承担竖向荷载并通过滑动摩擦耗散地震能量，由橡胶支座提供滑动后水平刚度以减小滑动位移反应和残余位移。通过安装组合隔震支座，可以实现大吨位、减震和释放温度应力的目的。本文针对组合支座高位隔震问题，开展了以下工作：首先，对桥式连

3、体结构隔震进行了参数优化分析。研究了频率比、质量比和阻尼比等参数对减震效果的影响规律。通过编制多自由度体系地震反应计算程序，对层间剪切型模型进行地震作用时程分析，以底部结构位移反应标准差最小为目标，分析了研究参数对结构反应的影响。数值计算结果表明，随着质量比的增大，减震结构最优频率比减小。支座刚度对相应底部结构地震反应有显著影响，而且，在质量比较小时，一端隔震支座刚度对另一端底部子结构地震反应也有显著影响，随着质量比增大，交叉影响减弱。摩擦滑移型支座具有较好的减震效果和经济性能，越来越多地应用于结构隔震。根据库仑摩擦理论，支座屈服力取决于滑动摩擦力，与摩擦系数和支座竖向压力有关。而

4、地震动往往是多维的，以往对水平地震作用下的摩擦滑移隔震结构的地震反应研究较多，而对竖向地震作用和水平地震作用相关性研究则较少。因此，本文利用ANSYS程序的APDL语言功能建立了考虑竖向地震作用对水平地震反应影响的隔震单元，并分析了采用摩擦滑移型支座隔震的质量块、基础隔震结构、顶层隔震等结构，在不同摩擦系数和地震烈度情况下竖向地震作用对水平地震反应的影响。计算表明，在大摩擦系数、高地震烈度情况下，竖向地震作用对基础隔震和设备隔震有一定的影响，建议考虑竖向地震作用的影响，而在小摩擦摘要系数时则可忽略。而且，适当的第二刚度可以减小竖向地震作用的影响。随后，本文利用ANSYS程序对上海国

5、际赛车场新闻中心(空中餐厅)高位隔震工程进行了地震作用非线性时程分析，对比分析了单体结构、铰接结构和减震结构的地震反应，包括位移、加速度和层间剪力等。结果表明采用高位隔震的方法，可以显著减小结构的地震反应，具有良好的减震效果。紧接着，分析了在罕遇地震烈度情况下，结构的水平向和竖向弹塑性地震反应。结果表明，在罕遇地震烈度下，具有更好的减震效果。同时，确定了隔震支座的最大滑移位移和最大支座压力，为支座设计提供依据。最后，根据前面计算结果，设计了由盆式橡胶支座和普通橡胶支座组成的组合隔震支座。并利用ANSYS程序建立了组合支座有限元模型，分析了在竖向荷载和水平荷载作用下支座内力分布，结果

6、表明，盆式支座盆环是支座的薄弱环节，应采取适当的加强措施。本文所设计的支座满足规范要求，已经成功地安装并投入使用，得到了国内外同行的好评。关键词：高位隔震，盆式橡胶支座，组合支座，摩擦型支座，时程分析，优化，减震效果，双向地震作用，ANSYS，超弹性ABSTRACTSeismicisolation。suchasbaseisolation，interlayerisolation，toplayerisolationaswellasequipmentisolation，isalleffectivepaSsivecontrolmethodforstructuralseismicmitiga

7、tion．Sinceisolationdeviceisthekeyelementfortheisolatedsystem，seriouseffortshavebeenundertakentoresearchanddevelopvariouskindsofisolators．Potbearing，africtiontypeslidingbearing，isoneofthehigh-loadmulti—rotationisolatorsfrequentlyutilized