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新鄉(xiāng)疊層隔震橡膠支座力學(xué)性能研究

　　隨著人類社會經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程,各類高層建筑、大跨度空間結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁等大規(guī)模建設(shè),財富和人口越來越集中。一旦發(fā)生地震災(zāi)害,其造成的人生和經(jīng)濟損失將會比以往任何時候都要大。大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)自由度很少。僅依靠結(jié)構(gòu)阻尼和非彈性變形承受強震作用時,結(jié)構(gòu)會發(fā)生過大的變形。過大的變形會導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p傷甚至倒塌。傳統(tǒng)的高層建筑抗震設(shè)計主要是基于保證結(jié)構(gòu)本身具有足夠的強度、剛度和延性,通過建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度和塑性變形來抵抗地震作用。由此帶來的問題是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸增大、自重增加,結(jié)構(gòu)在地震中受到的地震作用進一步增大。隔震技術(shù)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展和應(yīng)用,實踐證明隔震技術(shù)是有效減少地震災(zāi)害的方法之一,已經(jīng)不只限于小型橋梁和中低層結(jié)構(gòu),正在向大跨度橋梁,大高寬比高層建筑上發(fā)展和推廣。目前,我國隔震技術(shù)在大型橋梁和高層建筑的應(yīng)用實例不多。大跨度橋梁本身固有周期較長,引入隔震設(shè)計后,結(jié)構(gòu)的固有周期將延長。長周期結(jié)構(gòu)的隔震效果需要作系統(tǒng)行研究。高層建筑,由于高寬比大,地震中容易產(chǎn)生傾覆彎矩,使得隔震支座進入受拉狀態(tài),這一直是阻礙隔震技術(shù)在高層建筑應(yīng)用的原因之一。疊層橡膠隔震支座是隔震體系應(yīng)用得最多的隔震裝置。目前設(shè)計和制造疊層橡膠隔震支座時,為保證橡膠支座發(fā)生純剪切變形,都盡量采用強度較大和較厚的內(nèi)部鋼板,以達(dá)到內(nèi)部鋼板滿足剛性假設(shè)的條件。內(nèi)部鋼板在壓剪狀態(tài)下的應(yīng)力分布和破壞形式、內(nèi)部鋼板的厚度變化對支座的力學(xué)性能帶來什么樣的影響、支座在大變形下,力學(xué)性能及破壞形式仍不太明晰。本文針對以上問題,圍繞著疊層橡膠隔震支座力學(xué)性能、大跨度隔震橋梁地震響應(yīng)和高層隔震建筑支座受拉三個方面中的關(guān)鍵問題展開理論和試驗研究。

主要研究內(nèi)容如下：

(1)基于大量國內(nèi)外研究文獻(xiàn),歸納和總結(jié)了隔震支座力學(xué)性能、大跨度隔震橋梁和高層隔震建筑的原理和國內(nèi)外研究進展,提出目前需要解決的一系列關(guān)鍵問題;

(2)為研究支座力學(xué)性能和內(nèi)部鋼板厚度對支座的力學(xué)性能的影響,制作4個具有不同厚度內(nèi)部鋼板的足尺方型天然橡膠疊層橡膠支座進行軸壓試驗和壓剪試驗,在此基礎(chǔ)上,對最薄內(nèi)部鋼板的疊層橡膠支座進行破壞試驗,研究薄鋼板疊層橡膠支座的極限破壞形式。通過對軸壓試驗的數(shù)據(jù)分析和整理,提出了以S2和面壓為參數(shù)的疊層橡膠支座豎向剛度經(jīng)驗公式;

(3)基于超彈性的有限元分析理論,選擇適合的橡膠材料模型,由材料基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)擬合模型參數(shù)。采用有限元分析方法,建立實體模型,研究試驗中的4個足尺方形天然橡膠疊層橡膠支座在純軸壓和壓剪狀態(tài)下內(nèi)部鋼板的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài),給出了薄鋼板支座破壞試驗的合理解釋;

(4)闡述了減隔震高架橋設(shè)計的原理和方法。研究隔震高架橋體系的橋墩塑性鉸和隔震層的計算分析模型。制作了2個相同的1：10縮尺橋墩模型。對其中一個模型進行反復(fù)加載擬靜力試驗,驗證了纖維模型模擬橋墩塑性鉸骨架曲線的有效性。對另外一個模型輸入正弦波和天然地震波進行振動臺試驗,結(jié)合隔震支座壓剪試驗、橋墩擬靜力試驗和單墩振動臺試驗的實驗結(jié)果,使用SAP2000程序,建立有限元分析模型。通過對隔震體系的整體模型的理論分析結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析驗證了計算模型的正確性;

(5)結(jié)合某大型高架橋工程,建立三維分析模型,采用非線性時程分析方法,研究土-結(jié)構(gòu)相互作用對隔震高架橋的地震響應(yīng)影響,對比研究減隔震高架橋梁與抗震高架橋梁的地震響應(yīng)和橋墩高差變化時,減隔震高架橋地震響應(yīng)規(guī)律。研究表明不考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用,采用墩底固結(jié)模型,得到的響應(yīng)值是保守的;采用減隔震設(shè)計,可以有效地降低高架橋地震加速度響應(yīng),同時也能降低橋梁速度響應(yīng),隔震后主梁位移大于抗震設(shè)計的主梁移位;抗震設(shè)計的橋梁在大震時橋墩進入塑性,通過墩身的塑性鉸耗地震能量,而隔震橋梁通過隔震層耗散地震能量,在大震下,墩身保持彈性狀態(tài);對于橋墩大高差高架橋,采用抗震設(shè)計的高架橋上部慣性力會集中于高度最小的橋墩上。采用減隔震設(shè)計通過選取合適的支座參數(shù)可以降低整橋地震響應(yīng)的同時使慣性力得以均勻分散到各個橋墩上;

(6)采用彈塑性時程分析法對20層的框架、框-剪結(jié)構(gòu)的抗震和隔震效果進行了對比分析。結(jié)果表明,抗震結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)加速度遠(yuǎn)大于隔震結(jié)構(gòu)的;應(yīng)用隔震技術(shù)后,高層建筑在大震時,上部結(jié)構(gòu)仍處在彈性狀態(tài),減少大震后對受損建筑的維修工作。隔震后結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)顯著降低,有利于保持建筑使用功能;

(7)針對疊層橡膠支座抗拉性能遠(yuǎn)小于抗壓性能制約疊層橡膠支座在大高寬比建筑的推廣和應(yīng)用的問題。

本文提出一種新型抗拉裝置：利用疊層橡膠支座的抗壓能力來承受隔震層的拉力。通過對采用新型抗拉裝置結(jié)構(gòu)在大震中的地震響應(yīng)分析,證明新型抗拉裝置可以把拉力轉(zhuǎn)化成壓力,提高隔震層的抗拉能力,減少隔震層豎向位移,降低上部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。此裝置對于隔震技術(shù)向大高寬比結(jié)構(gòu)應(yīng)用和推廣有實際應(yīng)用的意義。