改进型橡胶隔震支座框架结构隔震性能研究

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隔震结构设计的关键环节在于隔震层中隔震支座的设计。在实际隔震设计中,隔震支座水平刚度越小,对应隔震效果越突出,与此同时,隔震支座还要满足罕遇地震下足够的变形要求以防止其超限破坏,因此设计中对于隔震支座的刚度需求存在一定的矛盾。传统的橡胶隔震支座在地震作用下仅提供单一水平刚度,且在罕遇地震下支座刚度会因水平剪切变形而降低,在实际设计中存在一定的缺陷。针对目前传统橡胶支座存在的缺陷,本文在普通橡胶支座的基础上做出改进,使其在多遇、基本地震下提供较小刚度,提高隔震效果;在罕遇地震下提供较大刚度,控制支座的位移以防止支座发生超限破坏。本文的主要研究工作和结论如下:(1)在普通隔震支座基础上研发了一种改进变刚度铅芯橡胶支座,并基于ABAQUS有限元软件建立改进型橡胶隔震支座的数值模型。分析改进型隔震支座竖向压缩力学性能、水平向压剪力学性能和耗能性能,揭示其在不同压应力和剪应力下应力、应变、位移和刚度的分布规律,并建立了改进型橡胶隔震支座的简化恢复力模型。研究结果表明:支座的压缩刚度随竖向压应力增大而增大;支座的水平刚度分为2个工况,在第1工况下提供小刚度,在第2工况下提供大刚度和良好的耗能能力,说明达到初始设计目标;支座的恢复力模型可以简化为三折线模型,通过理论刚度计算,其结果与模拟结果较为吻合,证明该模型是可靠的。(2)基于SAP2000有限元软件,建立普通框架结构、普通隔震结构和改进型隔震结构模型,对比分析了3种结构在不同地震作用下结构响应,包括层间位移角、峰值楼层加速度、隔震层位移,最后通过增量动力法对结构整体易损性进行分析。研究结果表明:改进隔震结构在3种地震作用下结构响应最小,隔震效果最佳,在罕遇地震下结构隔震层位移显著减小,有效防止支座超限破坏;在4个性能水准下,改进隔震结构安全储备最高,抗倒塌性能好。(3)基于FEMA P-58理论,利用PACT软件建立普通框架结构、普通隔震结构和改进型隔震结构模型,对比分析3种结构地震损失评估结果;对结构隔震层进行优化布置比选,基于FEMA P-58抗震性能评估结果得到改进型隔震层最优布置方式,最终提出改进型隔震支座一般性设计流程。研究结果表明:采用改进隔震支座可以有效降低结构的维修成本、维修时间和人员伤亡,且当布置改进型隔震支座时,应优先布置在结构角柱和边柱位置。
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