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高架橋及高層疊層橡膠支座力學(xué)性能

　　隨著人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)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(jì)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(diǎn)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(qiáng)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(jì)主要是基于保證結(jié)構(gòu)本身具有足夠的強(qiáng)度、剛度和延性，通過建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)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(jìn)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(shí)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，中國隔震技術(shù)在大型橋梁和高層建筑的應(yīng)用實(shí)例不多。大跨度橋梁本身固有周期較長，引入隔震設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)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(qiáng)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(yàn)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(jìn)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(jìn)行軸壓試驗(yàn)和壓剪試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，對最薄內(nèi)部鋼板的疊層橡膠支座進(jìn)行破壞試驗(yàn)，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(yàn)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(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)擬合模型參數(shù)。采用有限元分析方法，建立實(shí)體模型，研究試驗(yàn)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(yàn)的合理解釋;

　　(4)闡述了減隔震高架橋設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行反復(fù)加載擬靜力試驗(yàn)，驗(yàn)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(jìn)行振動臺試驗(yàn)，結(jié)合隔震支座壓剪試驗(yàn)、橋墩擬靜力試驗(yàn)和單墩振動臺試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的對比分析驗(yàn)證了計(jì)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(jì)，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(jì)的主梁移位;抗震設(shè)計(jì)的橋梁在大震時橋墩進(jìn)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(jì)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(jì)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(jìn)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(shí)際應(yīng)用的意義。