大高宽比高层剪力墙结构基础隔震机理分析及振动台试验研究

论文摘要

混凝土纯剪力墙结构作为我国高层住宅中普遍采用的结构型式,具有整体性强、抗侧刚度大等优点。同时也面临强烈地震作用下连梁可能严重剪切破坏、墙体压溃损毁、难以修复等问题。为通过引入隔震技术提高其地震安全储备,依托国家科技支撑计划项目“震后重建房屋抗震关键技术研究与示范”,针对质量、刚度沿高度分布相对均匀的大高宽比高层住宅剪力墙基础隔震结构抗倾覆机理、高宽比限值、基于减震目标的快速分析方法以及减震效果评价指标分析与控制等关键问题开展了深入研究。在基于复模态频响分析揭示大高宽比高层剪力墙基础隔震结构隔震层平动及翻转角位移地震峰值反应、翻转等效阻尼影响等规律基础上,提出了动力倾覆分析及考虑上部结构翻转动能影响的高宽比限值计算方法。充分结合非隔震结构各阶振型与结构反应的内在恒定关系,提出了基于预期减震目标、考虑翻转动能对周期影响的减震控制参数快速简化分析方法。推导、建立了考虑隔震层翻转刚度的连续化等效弯曲梁模型,分析并得出等效刚度比与周期比的计算关系式及有效抑制高阶振型反应的最小刚度比和周期比,揭示了临界刚度比、临界周期比的存在性及其对减震效果评价指标的控制规律。最后,针对某高烈度区高宽比达3.96的高层剪力墙基础隔震结构,设计、制作了1:12.5的缩尺相似模型,并对其抗震性能及地震安全储备开展了地震模拟振动台试验研究。结果表明:1.地震作用下,大高宽比高层剪力墙基础隔震结构隔震层翻转角峰值与平动位移峰值仍保持高度同步性,上部结构倾覆只会发生于隔震层侧移最大的瞬间。单向水平地震作用下,结构反应以整体平动+摆动的平面运动基本振型为主。增大隔震层水平等效阻尼比对减小隔震层峰值水平位移、峰值翻转角效果显著,而改变隔震层翻转阻尼比对隔震层平动及翻转角位移反应影响甚微。2.忽略高层剪力墙基础隔震结构整体摆动所产生的翻转动能会对高宽比限值估计过大。等效静力倾覆分析法相对于动力法计算结果偏差随地震烈度、隔震结构周期、场地卓越周期的增大而减小,随隔震层水平等效阻尼比的增大而增大。在其他设计条件不变的情况下,减轻上部结构质量、增大隔震支座总竖向刚度（或翻转刚度）,对高宽比限值的提高有利但不显著。高宽比限值与场地条件、地震分组、结构周期、阻尼比等因素有关。3.基于预期减震目标的控制参数简化分析法,充分考虑了非隔震剪力墙结构多振型影响以及隔震结构翻转动能对周期的影响。采用此法可便捷、准确地计算出满足减震目标需求的隔震层参数、并可为上部结构刚度调整提供指导。考虑隔震层边界的等效梁模型地震反应分析方法具有良好的计算精度。采用该法可较为便捷地对结构相关宏观指标作定性研究及优化分析。4.当隔震后、前结构基本周期比rT1>1.3或上部结构整体等效刚度与隔震层水平等效刚度之比rkh>0.8时,可有效抑制高层剪力墙隔震结构高阶振型反应,仅需考虑基本振型对结构地震反应的贡献。当rkh>1(rT1>1.43)时可近似以隔震层阻尼比作为整体1阶振型阻尼比,进而避免繁琐的振型计算。5.当基本周期TI1小于5gT时,应以隔震后、前的结构底部剪力比作为减震效果评价指标。当TI1大于5gT时,将存在临界刚度比rkhB及临界周期比rT1B,该两个临界比值与结构阻尼比、质量无关,且对于新、老标准反应谱均相同。当rkh<rkhB或rT1<rT1B时,底部力矩减震效果较剪力要差,翻转反应显著,应以底部力矩比作为控制指标,当rkh>rkhB或rT1>rT1B时,则应以底部剪力比作为控制指标。6.地震模拟振动台试验结果显示,经合理设计的大高宽比高层剪力墙基础隔震结构同样具有优良的抗震性能。上部结构加速度衰减显著,且设防烈度地震作用下仍能保持弹性,超罕遇烈度地震作用下结构未出现严重破坏或倾覆现象。将基础隔震技术应用到高烈度区高宽比较大的高层、超高层剪力墙结构,以提升结构抗震性能及安全储备是完全有效、可行的。以上所述分析方法及研究结论,可为大高宽比高层剪力墙基础隔震技术相关理论研究及实际工程应用提供有价值的参考和依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 背景
•     1.1.1 地震灾害
•     1.1.2 工程结构抗震理论与方法
•   1.2 隔震技术研究与发展
•     1.2.1 隔震的理念与效果
•     1.2.2 隔震技术与措施的发展
•     1.2.3 叠层橡胶隔震支座性能
•     1.2.4 基础隔震技术的研究
•   1.3 高层建筑基础隔震结构体系
•     1.3.1 高层隔震建筑的发展现状
•     1.3.2 高层建筑基础隔震结构体系的研究现状
•     1.3.3 高层剪力墙基础隔震结构体系
•   1.4 已有研究之不足
•   1.5 文本主要研究内容及意义
•     1.5.1 研究的意义
•     1.5.2 本文主要研究工作
• 第2章 高层剪力墙基础隔震结构简化动力分析
•   2.1 振动微分方程的建立
•   2.2 复模态法分析
•     2.2.1 状态变量方程
•     2.2.2 状态方程的解耦与频响分析
•   2.3 隔震层参数分析
•   2.4 基础隔震剪力墙简化体系频响分析
•     2.4.1 基本分析条件与参数
•     2.4.2 复振幅频响规律
•   2.5 动力反应分析
•     2.5.1 基本概况
•     2.5.2 隔震支座恢复力模型
•     2.5.3 动力反应数值计算方法
•     2.5.4 简化模型隔震层位移时程分析
•   2.6 翻转动能的影响
•   2.7 基于简化模型的隔震效能分析
•     2.7.1 不考虑翻转动能的情况
•     2.7.2 考虑转动位移的两自由度简化模型分析
•     2.7.3 高宽比对隔震效能的影响分析
•     2.7.4 关于阻尼对隔震效能影响的进一步分析
• 第3章 高层剪力墙基础隔震结构动力倾覆分析及高宽比限值
•   3.1 动力倾覆分析法
•   3.2 考虑竖向地震及重力作用的高宽比限值
•     3.2.1 高宽比限值计算
•     3.2.2 周期与阻尼比的影响
•     3.2.3 隔震支座竖向刚度的影响
•     3.2.4 上部结构质量的影响
•     3.2.5 隔震支座布置位置的影响
•   3.3 不考虑竖向地震的高宽比限值
•   3.4 动力倾覆分析法与静力法比较
• 第4章 基于减震目标的控制参数快速简化计算方法
•   4.1 基于规范反应谱的水平向减震控制参数
•     4.1.1 水平向减震系数（底部剪力比）
•     4.1.2 隔震层需求位移
•   4.2 减震控制参数综合分析
•   4.3 翻转动能及上部结构弹性变形影响修正
•     4.3.1 翻转动能对隔震结构的影响
•     4.3.2 非隔震结构弹性变形影响
•   4.4 算例分析
•     4.4.1 基本概况
•     4.4.2 周期对比
•     4.4.3 水平向减震系数（底部剪力比）对比
•     4.4.4 隔震层最大位移对比
•   4.5 附加粘滞流体阻尼器时的阻尼控制
•     4.5.1 基本理念
•     4.5.2 粘滞流体阻尼器
•     4.5.3 等效粘滞阻尼系数
•     4.5.4 非线性粘滞阻尼器等效线性化
•   4.6 简化分析法应用小结
•   4.7 新、老标准反应谱比较
• 第5章 考虑结构弹性变形的连续化模型及动力分析
•   5.1 剪力墙连续化基本原理
•   5.2 梁理论
•     5.2.1 经典梁模型
•     5.2.2 考虑转动惯量的等效弯曲梁模型
•   5.3 连续化模型有限单元矩阵
•     5.3.1 单元形函数
•     5.3.2 伽辽金法建立微分方程
•     5.3.3 单元划分
•     5.3.4 上部结构等效抗弯刚度
•     5.3.5 隔震层边界条件
•   5.4 单元转动惯量影响分析
•   5.5 等效梁模态及地震反应分析法
•     5.5.1 非隔震结构
•     5.5.2 隔震结构
•     5.5.3 振型正交性及振型分解
•     5.5.4 地震反应分析
•     5.5.5 基于反应谱地震反应分析
•   5.6 周期比与振型参与质量
•   5.7 等效刚度比分析
•     5.7.1 刚度比对周期比的影响
•     5.7.2 刚度比对底部剪力比、力矩比的影响
• khB分析'>    5.7.3 临界刚度比r_khB分析
• k1B及减震效果评价指标'>    5.7.4 临界周期比r_k1B及减震效果评价指标
•   5.8 阻尼比影响
•   5.9 楼层剪力比、力矩比和减震系数
•   5.10 等效梁模型地震反应分析方法对比
•     5.10.1 基本信息
•     5.10.2 周期比较
•     5.10.3 主要指标的计算结果比较
• 第6章 基础隔震高层剪力墙结构地震模拟振动台试验
•   6.1 引言
•   6.2 相似关系
•   6.3 模型结构设计、材料与施工
•     6.3.1 上部结构设计
•     6.3.2 隔震支座参数及布置
•     6.3.3 模型制作及测试
•   6.4 试验方案及测试
•     6.4.1 试验工况
•     6.4.2 测点布置
•   6.5 试验结果及其分析
•     6.5.1 试验现象
•     6.5.2 结构自振频率
•     6.5.3 楼层加速度反应
•     6.5.4 隔震层地震反应与数值计算对比
•     6.5.5 楼层最大相对位移反应
•     6.5.6 层间位移角反应
•   6.6 小结
• 第7章 主要结论与展望
•   7.1 主要结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读博士学位期间取得成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赖正聪

导师: 叶燎原,潘文

关键词: 高层剪力墙结构,基础隔震,翻转动能,减震机理,临界刚度比,水平向减震系数,地震模拟振动台试验

来源: 昆明理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程,建筑科学与工程

单位: 昆明理工大学

基金: 国家科技支撑计划项目“震后重建房屋抗震关键技术研究与示范”

分类号: TU973.16;TU435

DOI: 10.27200/d.cnki.gkmlu.2019.001911

总页数: 202

文件大小: 10787K

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