空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)支座隔震的理論和試驗(yàn)研究.pdf

1、近幾十年來，空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在體育建筑、文化建筑、交通樞紐以及工業(yè)廠房等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)往往用于容納大量人群和重要設(shè)備的場(chǎng)所，其抗震性能的優(yōu)劣極大地關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，因此很有必要在深入了解網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性和規(guī)律的基礎(chǔ)上，實(shí)施可靠的防震措施保證結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下具有良好的安全性。 結(jié)構(gòu)控制是一種新型防震理念，這種方法不再單獨(dú)依靠結(jié)構(gòu)自身的抗震能力，而是在結(jié)構(gòu)中附加減振裝置，由控制機(jī)構(gòu)吸收和消耗大部分的地

2、震能量，以減輕結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)控制可分為被動(dòng)控制、主動(dòng)和半主動(dòng)控制和混合控制，其中以隔震和耗能減振為代表的被動(dòng)控制發(fā)展最為成熟、應(yīng)用最為廣泛。隨著多高層房屋和橋梁結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制的深入開展，研究人員開始進(jìn)行網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的理論和應(yīng)用研究。 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)重量較輕，自身阻尼較小，由于在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中布設(shè)阻尼器較為困難，因此可以考慮采用支座隔震技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制，但目前在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中使用的橡膠墊板和滑動(dòng)裝置不能充分發(fā)揮隔震作用。本論文針對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的

3、隔震要求，使用新型智能材料一形狀記憶合金(SMA)提升普通疊層橡膠墊的隔震和耗能水平，提出并設(shè)計(jì)了SMA-橡膠支座，考察了這一支座的力學(xué)性能及在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)隔震中的應(yīng)用：考慮到空間結(jié)構(gòu)的三維振動(dòng)特性，開展了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的多維隔震研究。具體研究工作和成果如下： (1)提出了一種新型SMA-橡膠支座，建立了支座水平回復(fù)力的理論模型。提出了兩種方案的SMA-橡膠支座，即單X型和雙X型SMA-橡膠支座，建立了支座的理論模型，編制相應(yīng)的程序模擬了

4、SMA-橡膠支座的力一位移滯回關(guān)系和單根合金絲在工作過程中的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，并針對(duì)單X型SMA-橡膠支座單自由度體系進(jìn)行了不同條件下的動(dòng)力響應(yīng)分析，討論了SMA-橡膠支座隔震體系的隔震和耗能特點(diǎn)。 (2)進(jìn)行了SMA-橡膠支座模型的全面性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了支座理論模型的正確性。對(duì)單X型SMA-橡膠支座和雙X型SMA-橡膠支座實(shí)物模型進(jìn)行了多工況下的性能試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩種構(gòu)造SMA-橡膠支座的工作性能，最終確定單X型SMA-橡膠支座

5、(以下簡(jiǎn)稱為SMA-橡膠支座)性能更為優(yōu)良。進(jìn)而，將單X型SMA-橡膠支座的試驗(yàn)結(jié)果與理論模型的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，二者符合較好。 (3)將SMA-橡膠支座用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的隔震分析，基于Bouc-Wen模型建立了SMA-橡膠支座隔震網(wǎng)殼的計(jì)算模型。將常用于描述隔震支座的通用型光滑滯回模型(Bouc-Wen模型)與SMA-橡膠支座的性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明Bouc-Wen模型可良好地模擬SMA-橡膠支座的滯回行為。基于這

6、一模型建立了SMA-橡膠支座網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)隔震分析方法，并通過數(shù)值算例考察了支座隔震技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的有效性。 (4)對(duì)SMA-橡膠支座雙層柱面網(wǎng)殼模型進(jìn)行了地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，考察了SMA-橡膠支座隔震網(wǎng)殼的計(jì)算模型的適用性和有效性。針對(duì)無控、普通橡膠支座和SMA-橡膠支座等三種邊界條件下的雙層柱面網(wǎng)殼模型，通過在水平方向輸入典型地震記錄進(jìn)行了多工況的結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，考察SMA-橡膠支座在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的實(shí)際隔震效果。同時(shí)，

7、對(duì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了相應(yīng)工況的地震響應(yīng)計(jì)算，結(jié)果表明利用本文中提出的網(wǎng)殼隔震分析方法可較好地預(yù)測(cè)SMA-橡膠支座網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。 (5)對(duì)不同支座參數(shù)，不同矢跨比和不同支承條件的網(wǎng)殼進(jìn)行了隔震分析，研究了網(wǎng)殼隔震支座的設(shè)計(jì)方法并給出了相應(yīng)的建議?；赟MA-橡膠支座網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，通過球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震分析的數(shù)值仿真計(jì)算，研究了網(wǎng)殼隔震支座的設(shè)計(jì)方法，考察了落地支承和柱頂支承隔震網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系在多分量地震動(dòng)作用

8、下的振動(dòng)響應(yīng)特征，研究了支座隔震技術(shù)在不同矢跨比球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的適用條件。 (6)設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)豎向隔震支座，提出了網(wǎng)殼多維隔震方法，對(duì)球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多維隔震分析。利用碟形彈簧的性能特點(diǎn)，提出了碟簧柱豎向抗拔隔震支座，將其與FPS水平隔震支座或SMA-橡膠聯(lián)合使用組成分離式多維隔震系統(tǒng)，并建立了豎向隔震支座的有限元模型。對(duì)無控、水平隔震和多維隔震等不同工作狀態(tài)下的球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力特性分析和地震時(shí)程響應(yīng)計(jì)算，考察了隔