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北京疊層隔震橡膠支座力學性能研究

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

主要研究內容如下：

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

(2)為研究支座力學性能和內部鋼板厚度對支座的力學性能的影響,制作4個具有不同厚度內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,在此基礎上,對最薄內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據分析和整理,提出了以S2和面壓為參數的疊層橡膠支座豎向剛度經驗公式;

(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,由材料基礎試驗數據擬合模型參數。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下內部鋼板的應力狀態和變形狀態,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果與試驗結果的對比分析驗證了計算模型的正確性;

(5)結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-結構相互作用對隔震高架橋的地震響應影響,對比研究減隔震高架橋梁與抗震高架橋梁的地震響應和橋墩高差變化時,減隔震高架橋地震響應規律。研究表明不考慮樁-土-結構相互作用,采用墩底固結模型,得到的響應值是保守的;采用減隔震設計,可以有效地降低高架橋地震加速度響應,同時也能降低橋梁速度響應,隔震后主梁位移大于抗震設計的主梁移位;抗震設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;對于橋墩大高差高架橋,采用抗震設計的高架橋上部慣性力會集中于高度最小的橋墩上。采用減隔震設計通過選取合適的支座參數可以降低整橋地震響應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-剪結構的抗震和隔震效果進行了對比分析。結果表明,抗震結構上部結構的地震響應加速度遠大于隔震結構的;應用隔震技術后,高層建筑在大震時,上部結構仍處在彈性狀態,減少大震后對受損建筑的維修工作。隔震后結構的加速度響應顯著降低,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構在大震中的地震響應分析,證明新型抗拉裝置可以把拉力轉化成壓力,提高隔震層的抗拉能力,減少隔震層豎向位移,降低上部結構地震響應。此裝置對于隔震技術向大高寬比結構應用和推廣有實際應用的意義。