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高层建筑双层隔震体系的减震性能研究

时间:2018-10-15 19:15来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇建筑工程论文,随着建筑工程行业竞争的不断加剧,大型建筑工程企业间并购整合与资本运作日趋频繁,国内优秀的建筑工程生产企业愈来愈重视对行业市场的研究。
本文是一篇建筑工程论文,随着建筑工程行业竞争的不断加剧,大型建筑工程企业间并购整合与资本运作日趋频繁,国内优秀的建筑工程生产企业愈来愈重视对行业市场的研究,特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。正因为如此,一大批国内优秀的建筑工程品牌迅速崛起,逐渐成为建筑工程行业中的翘楚!(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇建筑工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景及意义
地震是一种令人类社会遭受损失最为严重的自然灾难[1],据相关统计,地球平均每年 5 级以上的破坏性地震约有 1000 多次,其中 95%的破坏地震是构造地震,这种地震是由地壳以及地幔中的物质不断运动,大量的应变能在岩层不断累积,当应变能超出了岩层的极限承载力,就会使岩层突然断裂或使原先存在的断层突然活动,释放大量的能量。其中的一部分就会转化成地震波传到地表,引起地面的振动,形成地震[2]。由于我国处在亚欧板块和环太平洋板块之间,尤其是在断裂带附近地震反应剧烈,如何有效地预防和阻止地震的发生,这是一个世界难题。在实际工程结构设计中,工程师迫切想要了解建筑物在其使用寿命内,可能遭受到地震动的强弱及振动特性,以便合理设计。然而就目前的科技手段还不能准确预测地震的发生和地震动的特性,工程师只能在概率含义上推测工程可能受到的地震危害,这就造成地震发生的不确定性[3],对于地震我们要做的不是预测,而是预防。随着人类社会进入 21 世纪,全球经济提速,城市土地资源日趋紧张,对高层乃至超高层建筑的需求不断增加,在经历近现代的几次大地震之后,人们发现各类建筑物在地震时发生破坏是造成生命财产损失的主要原因。这对高层建筑的抗震性能提出了更高的要求,传统意义上的抗震模式是依靠结构本身的弹塑性变形和延性来抵御地震荷载[4],但这种被动的抗震方式已经在多次地震中暴露出诸多不足[5][6]。采用传统的抗震模式,抵御地震能力不仅很难达不到预期的效果,震后对建筑物的维护也是个难题。基础隔震体系并不适用高宽比较大的结构,层间隔震体系对下部结构的减震效果不理想,而双层隔震结构体系可以弥补上述两种隔震体系的缺陷,通过增加两道隔震层来吸收地震能量,使高层建筑遭受的地震力明显减弱,在大地震来临时不至于倒塌,震后还能够继续使用。随着隔震技术规范化建设的需要,如何继续深入研究适应高层建筑隔震体系的新方法,这对于高层建筑地震防御有着十分重要的现实意义。
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1.2 结构隔震体系概述
目前,消能减振技术有很多,本文研究的双层隔震技术属于结构振动控制中的被动控制,这种控制方式成本花费较少且减震效果明显,技术研究成熟,应用范围广泛。结构隔震原理,就是通过在结构中设置某些耗能阻尼单元,利用这些单元的变形、摩擦、弯曲和扭转等方式耗散掉地震能量,延长了整个结构的自振周期,并使建筑物产生薄弱层,在上部结构进入非弹性阶段前,将地震能量提前吸收到隔震层位置处进行释放,使得上部结构只产生轻微地平动,减少用户的不适感。典型地震动卓越周期大约为 0.1~1.2s,通过合理布置一定数目的隔震单元,使隔震结构体系的自振周期可延长到 2~5s[7],避免了结构发生共振破坏[8],图 1.2 为结构的自振周期和阻尼变化对结构加速度和位移的影响情况。随着自振周期的增加,B 点周期 T1对应的结构加速度反应要比 A 点周期 T0对应的结构衰减的更多,而 B 点周期 T1对应的结构位移反应要比 A 点周期 T0对应的结构要大;相同自振周期下,通过提高阻尼,C 点周期对应的加速度和位移反应相比 B点周期对应的结构都降低了;通过同时增大结构的自振周期和阻尼,C 点周期 T1对应的结构相比 A 点周期 T0对应的结构,其位移和加速度反应都有明显减小[9]。因此,为了有效地降低结构的地震响应,可通过增加结构本身的周期和阻尼,使上部结构仅产生轻微地平动。
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2 双层隔震体系的基本原理及工作机理分析
 
2.1 隔震支座的种类及性能概述
2.1.1 隔震支座的类型
在经历了几次大地震后,隔震结构体系逐渐被人们认知,隔震支座是实现隔震目标的关键装置,根据耗能原理不同分为:滞回阻尼型、摩擦型和黏性阻尼型,其基本特征主要有:承载力特性、隔震特性、复位特性和阻尼消能特性[30]。表 2.1 表示目前实际工程中常用的四种减隔震支座的优缺点,当工程师为不同的工程做隔震设计时,可依照不同的建筑功能要求、隔震特性以及经济情况进行合理选择。由于目前高层建筑上应用双层隔震结构体系,还有众多未解决的难题,影响因素较多,本文只考虑高层建筑减震性能,未考虑风荷载的影响,还考虑到在实际工程施工工艺较简单,因此本文选用铅芯橡胶隔震支座作为各隔震层的隔震支座。铅芯橡胶隔震支座橡胶部分是由橡胶板和薄钢板交互重叠加热、加压,使橡胶分子内部软连接发生硫黄硫化的化学反应,由塑性状态转变为弹性或者硬质状态,在硫化过程中还可以适量加入掺合料,改变橡胶的力学性能。叠层橡胶中间插入铅芯,提高了结构阻尼,增加了隔震层水平刚度,减少了风荷载以及其它非地震力作用时的微振动,在变形后可以再结晶,储存了变形能,能够在地震中达到耗散地震能量的效果。图 2.1 为目前工程多采用的铅芯橡胶隔震支座,图 2.2 为铅芯橡胶隔震支座的滞回曲线,由于铅芯橡胶隔震支座相当于天然橡胶层和铅芯阻尼器进行叠加,易产生一系列非线性往复变化。
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2.2 多质点隔震体系的地震响应分析
单自由度体系计算模型的刚体假定,不能真实、完整地反映高层隔震体系的动力特性,由于结构高宽较大,导致单自由度体系计算精度不高;由于隔震层与上部结构质量和刚度存在差异,采用双自由度体系计算分析结构第二周期和振型时也容易产生较大误差。高层建筑双层隔震结构体系的水平刚度只在两个隔震层位置处发生突变,形成薄弱层,而在其它楼层数值分布较均匀,数值较大,因此我们在进行高层建筑双层隔震体系多自由度动力响应分析时,通常将两道隔震层与其余楼层分别离散为多个质量单元,形成“糖葫芦串”模型[40],如图 2.5 所示,由于隔震层的水平刚度远小于竖向刚度,在遭遇地震时隔震结构大多出现水平方向的振动,竖向变形可忽略[41]。
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3 高层规则建筑双层隔震体系的地震响应分析.....18
3.1 确定隔震方案.....18
3.2 选取地震波.........27
3.2.1 地震波的选取.......27
3.2.2 本工程选取的地震波.........28
3.3 模态分析.............30
3.4 结构地震响应分析..........35
3.5 本章小结.............43
4 平面不规则高层建筑双层隔震抗扭分析..............44
4.1 引言......44
4.2 建立隔震模型.....45
4.3 双向地震下结构模态分析.............49
4.4 罕遇地震下隔震效果对比分析.....55
4.5 不同偏心率对双层隔震结构体系的动力响应分析...............65
4.6 本章小结.............86
5 竖向不规则高层建筑双层隔震抗扭分析..............88
5.1 竖向不规则结构水平地震反应分析...........88
5.1.1 竖向不规则结构模型.........88
5.1.2 竖向不规则结构地震响应分析.......91
5.2 本章小结...........102
 
5 竖向不规则高层建筑双层隔震抗扭分析
 
竖向不规则结构是指结构侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续或楼层承载力突变等[62][63][64],具体可分为强度分布不规则、刚度分布不规则和质量分布不规则[65],为了提高竖向不规则结构的抗震性能,可采用双层隔震技术改善其竖向薄弱层位置处的地震响应突变,以期达到减震目的。本章建立竖向不规则隔震体系模型,采用两条实际地震波和一条人工波作为输入,考虑水平双向地震作用,分析了在罕遇地震作用下结构的自振周期、振型质量参与系数、楼层加速度、层间位移角、水平向减震系数、隔震层应力和位移以及隔震支座滞回曲线等指标对竖向不规则结构减震性能的影响。
 
5.1 竖向不规则结构水平地震反应分析
横向 X 方向 8 跨,跨度 7.2m,凸出部分 21.6m纵向 Y 方向 3 跨,跨度分别为 6m,3m,6m,凸出部分 12m结构总高度为 40m,底层层高为 3.7m,2 层及以上楼层层高 3.3m,隔震层层高0.3m,结构在 7 层处有缩进,缩进尺寸为相邻下一层的 62.5%,缩进部位到室外地面的高度为 20.4m,大于建筑高度的 20%,因此可视为竖向不规则结构。柱网布置如图5.2 所示,轴线加粗部分表示结构七层以上的楼层。竖向不规则结构 6 个角柱最大计算直径为 567.05mm,20 个边柱最大计算直径为530.03mm,18 个中柱最大计算直径为 661.56mm,基底隔震支座暂时定为直径 700mm的铅芯橡胶隔震支座。通过隔震支座的偏心率大小如表 5.1 所示,结构 X 向隔震层最大偏心率小于 3%,Y 向最大偏心率大于 3%,所以确定 14 个直径为 900mm 的铅芯橡胶支座和 30 个直径为 700mm 的铅芯橡胶支座,而中间隔震层全部采用直径为 500mm 的铅芯橡胶支座。
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结论
 
本文是在高层建筑中设置了两道隔震层(由铅芯橡胶隔震支座按照不同偏心率布置),研究了高层建筑双层隔震体系的减震性能,主要结论如下:
(1)以高层规则框架结构为研究对象,多遇地震下三层隔震与基础固定体系的周期最大比值为 2.224,三层隔震体系振型质量分布最为集中。多遇地震下高层建筑双层隔震体系的地震响应分析表明,高层框架采用双层隔震体系的隔震效果比基础隔震体系要好,中间隔震层位于九层时双层隔震体系的顶层最大加速度削减最多,平均值比基础固定结构体系减少了 41.4%;三层隔震体系最大层间位移角最小;六层隔震体系的基底剪力值最小,因此,在多遇地震下的双层隔震体系隔震效果明显。
(2)罕遇地震下高层建筑双层隔震体系的地震响应分析表明,高层框架采用双层隔震体系隔震效果更加明显,六层隔震体系的顶层最大加速度削减最多,平均值比基础固定结构体系减少 45.6%;三层隔震体系中间隔震层的层间位移角突变值超过了六层隔震,六层隔震体系层间位移角平均值最小;三层隔震体系的基底剪力平均值最小,比基础固定体系减少了 68.7%,因此,建议中间隔震层布置在结构中部偏下位置可取得较好的隔震效果。
(3)以平面不规则高层框架结构为研究对象,中间隔震层位于三层时双层隔震体系的周期比为 0.61,是所有结构体系最小的;三层隔震体系的位移比、水平向减震系数和基底时程曲线均最小;双层隔震体系在中间隔震层位置处层间位移角有突变,突变数值超过了基础隔震体系,三层隔震体系的其它楼层层间位移角最小,因此,建议双层隔震体系的中间隔震层位置处加强配筋,中间隔震层应布置在结构中部偏下位置。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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