考慮幾何非線性的串聯(lián)隔震體系隨機(jī)響應(yīng)研究.pdf

1、自二十世紀(jì)九十年代至今，隔震技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)有已經(jīng)開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)中，基礎(chǔ)隔震被認(rèn)為是概念簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、造價(jià)相對(duì)低廉的一種結(jié)構(gòu)被動(dòng)減震控制手段。隨著建筑功能和立面效果的日益提高，一種疊層橡膠支座與懸臂柱串聯(lián)的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案油然而生，其主要優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用空間、便于隔震支座維修。伴隨而來(lái)的關(guān)鍵問(wèn)題就是懸臂柱尺寸的確定，以及串聯(lián)隔震體系的安全性和穩(wěn)定性問(wèn)題，隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遇到了新的挑戰(zhàn)。目前我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范2010

2、版僅從宏觀上界定了串聯(lián)隔震體系屬于層間隔震范疇，提出了隔震層以下地面以上結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下層間彈塑性位移角限制，但串聯(lián)隔震體系是一種變剛度強(qiáng)非線性的構(gòu)件，動(dòng)力學(xué)特性復(fù)雜，尚需進(jìn)一步研究。因此，本文以隔震工程中常見(jiàn)的疊層橡膠支座與懸臂柱串聯(lián)的隔震體系為研究對(duì)象，建立了該體系的幾何非線性動(dòng)力學(xué)方程，應(yīng)用微分求積單元法，分析了串聯(lián)隔震體系的固有振動(dòng)特性和地震響應(yīng)行為，探討了串聯(lián)隔震體系的隨機(jī)響應(yīng)，進(jìn)行了多個(gè)縮尺比例模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，主要內(nèi)容如

3、下:
　　 (1)建立疊層橡膠支座與懸臂柱串聯(lián)的隔震體系幾何非線性動(dòng)力響應(yīng)偏微分方程。基于勻質(zhì)柱假定，考慮串聯(lián)隔震體系的幾何非線性，分別應(yīng)用Hamilton變分原理和微元體分析方法，推導(dǎo)了疊層橡膠支座幾何非線性動(dòng)力響應(yīng)運(yùn)動(dòng)方程;結(jié)合有限單元法，將該動(dòng)力學(xué)模型擴(kuò)展得到了疊層橡膠支座與懸臂柱串聯(lián)的隔震體系幾何非線性控制方程和邊界條件。
　　 (2)分析串聯(lián)隔震體系固有振動(dòng)特性。應(yīng)用微分求積原理離散串聯(lián)隔震體系的非線性控制方程

4、和邊界條件，選擇替換法處理邊界條件，采用微分求積與有限元相結(jié)合的方法——微分求積單元法，編制matlab程序求解分析了疊層橡膠支座與懸臂柱串聯(lián)隔震體系的固有振動(dòng)特性，并研究了支座剛度、豎向荷載和懸臂柱長(zhǎng)細(xì)比等因素對(duì)串聯(lián)隔震體系頻率的影響，探討了三類因素和兩種因素聯(lián)合作用下對(duì)體系頻率的不利情況。
　　 (3)研究疊層橡膠支座與懸臂柱串聯(lián)隔震體系的幾何非線性時(shí)域響應(yīng)行為。針對(duì)串聯(lián)隔震體系幾何非線性控制方程，提出了聯(lián)合使用微分求積單元

5、法、時(shí)域微分求積逐步積分法求解串聯(lián)隔震體系非線性動(dòng)力響應(yīng)的有效方法。首先將其在各單元空間域上進(jìn)行微分求積離散，然后采用時(shí)域微分求積逐步積分法將其在時(shí)間域內(nèi)離散，應(yīng)用方程替換法處理邊界方程，最后編制迭代程序求解分析串聯(lián)隔震體系在遠(yuǎn)場(chǎng)罕遇水平地震動(dòng)作用下的地震響應(yīng)，綜合4種支座類型、3種豎向荷載值、36種長(zhǎng)細(xì)比等因素，通過(guò)計(jì)算結(jié)果討論懸臂柱長(zhǎng)細(xì)比對(duì)串聯(lián)隔震體系穩(wěn)定性的影響。
　　 (4)探討考慮幾何非線性串聯(lián)隔震體系的隨機(jī)響應(yīng)。在串

6、聯(lián)隔震體系數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)三自由度耦合的幾何非線性偏微分方程，提出了串聯(lián)隔震體系隨機(jī)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型。以雙過(guò)濾白噪聲地震動(dòng)功率譜模型為基礎(chǔ)，構(gòu)造串聯(lián)隔震體系隨機(jī)響應(yīng)輸入激勵(lì)，聯(lián)合應(yīng)用微分求積單元法、時(shí)域微分求積逐步積分法求解串聯(lián)隔震體系隨機(jī)響應(yīng)控制方程，研究了不同支座類型、不同豎向荷載值、不同懸臂柱長(zhǎng)細(xì)比等因素對(duì)串聯(lián)隔震體系“大震”下隨機(jī)響應(yīng)行為的影響。
　　 (5)針對(duì)串聯(lián)隔震體系的地震響應(yīng)，進(jìn)行了模擬地震動(dòng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。