三维基础隔震系统的理论与试验研究

基础隔震技术为建筑结构抵御地震灾害提供了一种行之有效的全新方法,其水平地震分量的隔震技术已进入工程实用阶段。由于地震动本身具有多维特性,对于一些位于高烈度区和震中附近的重要建筑和基础设施,同时考虑竖向地震分量的三维基础隔震是非常必要和重要的。但是,国内外对三维基础隔震的研究至今尚无实质性进展。本文创新地提出的铅芯橡胶碟簧三维隔震支座就可以有效地解决三维基础隔震问题。 铅芯橡胶碟簧三维隔震支座(3DB)由铅芯叠层橡胶支座和铅芯碟形弹簧支座串联组成,铅芯叠层橡胶支座用于水平隔震,铅芯碟形弹簧支座用于竖向隔震。该三维隔震支座能有效地解决三维隔震支座的竖向大承载力和竖向阻尼的难题,并可以有效地抑制摇摆。该3DB不仅具有三向适宜刚度和阻尼性能,而且性能稳定,结构紧凑,加工制作容易。除了可以用于工程结构的三维基础隔震外,还可以用机械设备的隔振。因此,该3DB具有广阔的应用前景。 本文在充分研究了3DB构造特点的基础上,创新性地提出了3DB的设计理论和计算方法。在此基础上首次设计并制造了3DB模型,对该模型的三向刚度和阻尼性能进行了全面的静载和动载试验研究。研究结果表明:该三维隔震支座具有三向适宜刚度和阻尼性能,其三向阻尼比容易达到15-30%,三维隔震支座的静载刚度和承载力与理论计算吻合得较好。研究还表明:动静刚度之比大约为1.3,随着加载频率的增加,三维隔震支座的屈服力、屈前刚度和阻尼均增加,但对屈后刚度影响不明显。 本文采用平扭耦合层间模型对三维隔震结构的多维地震反应进行了全面的计算机仿真分析。首先,在充分研究三维基础隔震结构特点的基础上,对其上部结构和隔震层进行了一些合理化的假设和简化,建立了振动计算模型。然后,根据水平和竖向地震反应不耦合的特点,将三维地震作用下隔震结构的反应分析分解为水平平动-扭转耦联和竖向独立平动两部分,建立了相应的运动方程。最后,设计了一栋L型平面五层三维基础隔震框架,对其三维地震反应进行了系统的分析,同时研究了隔震层竖向刚度和阻尼比对竖向隔震效果的影响。研究结果表明, 3DB隔震结构的三向隔震效果明显,楼层的地震反应比不隔震结构降低了50%以上。水平双向地震输入和结构偏心对隔震层的水平位移影响比较显著,本例中比单向输入增大约30%,比无偏心结构增大约20%。研究还表明,在竖向刚度小于2000kN/mm之前,降低刚度对于减小结构的地震反应比较明显。同时,隔震层阻尼比设计在20%-30%左右较为合理。 本文最后采用三维杆系有限元模型,首次对三维隔震框架结构的多维地震反应进行了非线性空间时程分析。分析结果表明:采用三维杆系有限元模型能够更全面、准确地反映隔震结构的地震反应性能,计算结果低于层间质点模型计算结果。同时,采用降低一度按抗震结构进行上部结构的设计方法是偏于安全的,至少有30%的安全储备。因此,采用三维杆系有限元模型对隔震结构进行整体分析具有重要的现实意义。 本文创造性地提出的三维隔震支座及其设计分析方法对于我国的三维基础隔震研究具有开创性意义,并具有广阔的应用前景。