平扭耦联LRB隔震体系静动力特性的研究和应用
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摘要
本文研究了加铅橡胶垫（LRB）在双向受力下剪力位移本构关系。在现有设备和装置的条件下，设计加力装置和工况，使单个橡胶垫处在各种比例的双向受力加载状态。通过加铅橡胶垫双向受力剪压试验低周疲劳试验，获得加铅橡胶垫模型在不同双向受力比时的受力和变形数据。试验结果表明：加铅橡胶垫在双向受力下剪力位移本构关系为具有包氏效应的双折线模型，其塑性变形在两个方向的分配，满足塑性流动法则。在上述研究的基础上，本文提出相应的数学函数关系式及加载、卸载及恒载条件，并自编程序，分析了具有多个加铅橡胶垫的隔震层在各种加载、各种分布下的静力性能。研究的主要结论为：在橡胶垫中加铅具有一定的抑制隔震层位移和转角的作用，同时可以减少塑性变形的积累；隔震层刚度偏心距越大，对隔震层则越不利；隔震层刚度半径的增加可以大大减低隔震层转角值，抑制塑性变形，总体上是有利的。
同时，本文还建立了考虑隔震层双向非线性变形的隔震体系简化模型及相关方程，并对平扭藕联隔震动力模型隔震进行了动力性能研究，获得了优化隔震效果的刚度和阻尼的布置规律和方法。完成了一榀三层两跨钢框架平扭耦联模型的地震模拟振动台试验，对模型结构输入不同地震波以模拟不同场地类别。利用结构分析和设计软件SAP2000对模型结构进行有限元分析，将计算值与试验值进行对比。在此基础上，通过两个工程算例，说明了本文主要结论在平扭偶联隔震体系中的运用效果和隔震层LRB的具体布置方法。理论、试验、计算分析研究结果表明：隔震体系可以明显降低上部结构地震反应，包括平动反应及扭转反应；取适当的隔震垫阻尼值，可以有效地抑制体系加速度和基础位移；将隔震垫刚度中心、阻尼中心与上部结构质心位置接近可进一步降低偏心隔震结构扭转反应；加大隔震层的刚度半径、阻尼半径可进一步降低偏心隔震结构扭转反应。
In this dissertation, the shear force-displacement relationship of Lead RubberBearing (LRB) is researched firstly. At the base of existing equipment conditions, bydesigning the charger and working condition, the rubber is set in biaxially loadingwith various proportions. And then, the forces and distortions of LRB in the diffirentbiaxially force conditions are attained through the test. It is suggested in the test thatthe shear force-displacement relationship is bilinear model with Bauschinger effect,and the plastic deformation could meet the plastic flow rules.Based on the aboveresults, the mathematical function formula and the loading-static loading-unloadingconditions are proposed. Then the static characteristics of multiple LRB under thevarious loadings and the distributions are also analysed. It is drawn from theconclusions that: LRB is effective to decrease the displacement and angle of isolationlayer; the increase of isolation layer eccentricity is disadvantageous for isolation layersecurity; the plastic deformation and isolation layer angle could be restrained byincreasing the rigidity radius of isolation layer.
At the same time, a simplified model and computational formulas of LRB on theconsidering of biaxial nonlinear deformation are proposed. Though analyzing thedynamics characteristics of lateral-torsional coupling LRB isolated system, theoptimization methods of arranging the stiffness and the damping are obtained. Ashaking table tests for seismic simulation of three-storey two-bay steel frame with thelateral-torsional coupling model is finished at last. It is compared with the finiteelement analysis model established by SAP2000. At last, two examples are taking forvalidating the research conclusion in this dissertation. The experimental data indicatesthat the LRB could reduce the earthquake translational and rotational motion responseof superstructure obviously. Basic displacement and acceleration of systems could becontained effectively by setting appropriate LRB. Making the place of stiffness centerand damping center close to the mass center of the substructure could decrease thetorsion-response of base-isolated buildings, and expanding the stiffness radius and thedamping radius could also reduce the torsion-response of base-isolated buildings.
同时，本文还建立了考虑隔震层双向非线性变形的隔震体系简化模型及相关方程，并对平扭藕联隔震动力模型隔震进行了动力性能研究，获得了优化隔震效果的刚度和阻尼的布置规律和方法。完成了一榀三层两跨钢框架平扭耦联模型的地震模拟振动台试验，对模型结构输入不同地震波以模拟不同场地类别。利用结构分析和设计软件SAP2000对模型结构进行有限元分析，将计算值与试验值进行对比。在此基础上，通过两个工程算例，说明了本文主要结论在平扭偶联隔震体系中的运用效果和隔震层LRB的具体布置方法。理论、试验、计算分析研究结果表明：隔震体系可以明显降低上部结构地震反应，包括平动反应及扭转反应；取适当的隔震垫阻尼值，可以有效地抑制体系加速度和基础位移；将隔震垫刚度中心、阻尼中心与上部结构质心位置接近可进一步降低偏心隔震结构扭转反应；加大隔震层的刚度半径、阻尼半径可进一步降低偏心隔震结构扭转反应。
In this dissertation, the shear force-displacement relationship of Lead RubberBearing (LRB) is researched firstly. At the base of existing equipment conditions, bydesigning the charger and working condition, the rubber is set in biaxially loadingwith various proportions. And then, the forces and distortions of LRB in the diffirentbiaxially force conditions are attained through the test. It is suggested in the test thatthe shear force-displacement relationship is bilinear model with Bauschinger effect,and the plastic deformation could meet the plastic flow rules.Based on the aboveresults, the mathematical function formula and the loading-static loading-unloadingconditions are proposed. Then the static characteristics of multiple LRB under thevarious loadings and the distributions are also analysed. It is drawn from theconclusions that: LRB is effective to decrease the displacement and angle of isolationlayer; the increase of isolation layer eccentricity is disadvantageous for isolation layersecurity; the plastic deformation and isolation layer angle could be restrained byincreasing the rigidity radius of isolation layer.
At the same time, a simplified model and computational formulas of LRB on theconsidering of biaxial nonlinear deformation are proposed. Though analyzing thedynamics characteristics of lateral-torsional coupling LRB isolated system, theoptimization methods of arranging the stiffness and the damping are obtained. Ashaking table tests for seismic simulation of three-storey two-bay steel frame with thelateral-torsional coupling model is finished at last. It is compared with the finiteelement analysis model established by SAP2000. At last, two examples are taking forvalidating the research conclusion in this dissertation. The experimental data indicatesthat the LRB could reduce the earthquake translational and rotational motion responseof superstructure obviously. Basic displacement and acceleration of systems could becontained effectively by setting appropriate LRB. Making the place of stiffness centerand damping center close to the mass center of the substructure could decrease thetorsion-response of base-isolated buildings, and expanding the stiffness radius and thedamping radius could also reduce the torsion-response of base-isolated buildings.
引文
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