低温下隔震橡胶支座的力学性能变化及对隔震结构地震响应的影响

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论文字数:45855 论文编号:sb2021111711252539658 日期:2021-12-01 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文首先简单而全面的对橡胶隔震支座的基本设计理论做了总结介绍,包括隔震橡胶支座的材料组成、分类、恢复力模型和竖向性能、水平性能的理论研究,为第三章的试验研究提供了理论基础。然后在 23℃至-40℃的低温环境下对不同剪切模量的天然橡胶支座和铅芯橡胶支座进行了竖向压缩试验和水平剪切试验,同时对试验所用支座的橡胶材料进行低温下的剪切性能试验,以此得到低温对橡胶隔震支座及其橡胶材料力学性能的影响规律。

第 1 章  绪论

1.1  研究的背景
在众多的自然灾害中,地震是一种频发且破坏性强的自然灾害,是因地球内部结构发生运动而产生[1]。地震本身发生频率高且难以预测,一般分为构造地震:因地底的岩层相互错动或断裂产生,分布广泛,危害也最大;火山地震:该地震受地域限制仅在火山活动活跃区域发生,范围较小;陷落地震:因地面塌陷而导致局部的地震发生;诱发地震:人为因素诱发地震。地震集中发生频率较高的地方一般位于大陆板块的交界位置或板块内部断裂的地方,这些地带也被称作地震带,如图 1.1 所示。地球上的两个主要地震带是地中海、环太平洋地震带,两个地震带释放的能量,约占全球所有地震释放能量的 98%[2]。中国就位于这两个地震带的中间,导致我国所遭受到的地震强度和频度都居世界首位。
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1.2  隔震结构的发展及隔震原理
1.2.1  隔震结构的发展
与传统抗震的强度理论和延性理论设计不同,隔震理论设计属于结构控制方法,使用隔震装置来耗散地震释放的能量[1]。河合浩藏在 1890 年最先提出在基础之上进行隔震设计的想法,他提出在基础的横向和纵向放置滚木,然后再浇筑混凝土基础,基础之上为建筑物,如图 1.3,试图通过这种方法来达到隔震目的。1909 年,J.A.Calantarients 提出通过在基础之上放置滑石或云母层将基础和上部结构隔离也能够达到隔震的效果。这些隔离地震能量传输的想法便是隔震技术的萌芽,从此隔震技术的研究愈发的完善,愈发得到人们的重视。较早利用这一思想的是东京的帝国大厦,该建筑所处场地有一层软土层,设计者通过在软土层上布置大量短桩,使得建筑物与上部持力层构成一个能够悬浮在软土层上的整体。在 1923 年东京发生地震时依然屹立不倒表现了很好的抗震性能。但类似的场地条件在实际工程中并不可能都有,于是人们开始了类似于减震的做法,即采用柔性底层进行减震,可是采用这种设计方法在地震来临时结构依然会发生较大的破坏,例如:美国旧金山在1971 年遭受地震袭击后,使得当时按照柔性底层概念设计的 Olive View 医院的底层柱遭受了严重的破坏。从上述的案例中可以看出,单纯的采用柔性层或者传统抗震设计思路很难满足结构在强震时不发生破坏。对此 J.TP.Yao 在 1972 年初次提炼出结构减隔震的思想,使隔震技术能够运用到工程实例中。1978 年,美国学者阐述了橡胶支座隔离地震能量的方法和施工技术。1969 年南斯拉夫在遭受了一次地震灾害之后,负责灾后重建的设计人员对斯克比小学首次使用了天然橡胶支座进行隔震设计,自此首栋隔震建筑问世,但不足的是所用的支座竖向承载能力较小且横向变形较大。对此 G.C.Delfosse 提出在橡胶支座中增设薄钢板来约束橡胶的横向变形和提高竖向承载力,上述问题才得以解决。1979 年,马赛附近的一所小学用 152 个直径 300mm 的橡胶垫,建造了一栋三层的混凝土小学,但是采用的橡胶垫依然没有很好的耗能能力。在法国一座核电站的建造过程中为了解决这一问题,将橡胶垫和滑板支撑相组合形成了一种新的隔震装置。
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第 2 章  隔震橡胶支座的理论研究

2.1  隔震橡胶支座的概述及构造
2.1.1  隔震橡胶支座的概述
隔震系统的基本性能包括:竖向支承性能、变形性能、复位性能、阻尼耗能性能、耐久性等[12]。竖向支承性能指隔震支座必须要长期承受上部建筑的重量,其功能等同于结构的柱;水平变形特性指隔震支座的水平向刚度小而具有一定的水平位移能力;复位性能指的是隔震支座需有产生较大水平位移的同时也要有能保证结构复原到原位的刚度;阻尼耗能性能指橡胶支座需要有足够的耗能特性,才能减小或消耗地震能量的传输;耐久性是因为隔震支座在使用过程中需要长久的承载上部结构,且暴露在外界环境中,会因为气候变化引起性能劣化等问题,因此需要满足耐久性能才能够满足结构正常使用的要求。
随着隔震技术的推广,更多的隔震支座得以研发并用于实际的工程中。隔震装置分类如图 2.1 所示。
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2.2  隔震橡胶支座的恢复力模型
由上述支座剪力—位移曲线可以看出支座的滞回曲线是非线性的,若要根据该曲线准确分析支座的力学性能,计算量是巨大的。因此为了简化计算,国内外学者提出来了几种常用的橡胶支座恢复力模型。
图 2.8 为天然橡胶隔震支座的恢复力模型,从图中可以看出,天然橡胶隔震支座的滞回特性与剪应变的大小无关,支座各阶段变形的弹性能都比较稳定,所以天然橡胶隔震支座的恢复力模型可近似为直线,直线的斜率就是支座的水平刚度[4]。
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第 3 章  隔震橡胶支座在极低温度下的力学性能试验研究 ........................... 27
3.1  引言 ....................................... 27
3.2  试验装置及试件 .............................. 28
第 4 章  考虑低温相关性的基础隔震结构地震响应分析 ...................................... 53
4.1  引言 ................................... 53
4.2  基础隔震结构概念设计及工程概况 ...................................... 53
第 5 章  结论与展望 ........................................... 69
5.1  结论 ...................................... 69
5.2  展望 .............................................. 70

第 4 章  考虑低温相关性的基础隔震结构地震响应分析

4.1  引言
从隔震橡胶支座的低温相关性试验可以看出,低温下支座的力学性能与常温下的力学性能相比差距较大,且隔震支座是隔震系统的核心构件,对隔震结构的地震响应有较大影响。因此研究低温下隔震橡胶支座力学性能变化对基础隔震结构地震响应的影响,具有一定的现实意义。
我国抗震设计时认为支座的温度相关性影响较小,并未考虑温度的影响,仅在橡胶支座规范[17,78]中指出天然橡胶的环境温度低于 0℃,氯丁橡胶的环境温度低于 5℃时,需要进行低温结晶性能试验,但实际情况是低温对隔震橡胶支座的影响不容忽略。对此,国内外学者也展开了较多的研究,但大多都集中在隔震支座温度相关性对桥梁结构的影响,而支座温度相关性对基础隔震结构的影响研究很少。例如:资道铭等[79]研究了低温对铅芯橡胶隔震支座力学性能的影响试验,然后分析了低温下支座力学性能改变对桥梁隔震效果的影响;杜永峰[80]等分析了环境温度的变化对隔震结构动力响应及可靠性的影响,发现随着温度的降低隔震结构的水平位移会减小;王丹[81]研究了铅芯橡胶隔震支座在寒冷地区桥梁抗震中的应用;石岩等[82]以 OpenSees 地震分析软件建立了动力分析平台,讨论了隔震桥梁地震反应与温度的关系,研究表明低温下支座特性改变会放大桥墩地震响应,低温条件下与室温相比墩低剪力和弯矩会被低估;因此,为了研究低温环境下支座力学性能改变对基础隔震结构的影响,本文建立了一栋基础隔震混凝土框架结构为算例进行分析,分别以各低温下支座对应的力学性能参数为工况,探究低温下隔震支座力学性能的改变对基础隔震结构地震响应的影响,为冬季严寒高烈度地区的隔震设计提供一定的依据。
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第 5 章  结论与展望

5.1  结论
本文研究的目的是为高寒高烈度地区的隔震设计提供一定的依据,因低温会对隔震橡胶支座的力学性能产生较大的影响进而引起隔震结构动力特性发生改变,研究隔震橡胶支座及隔震体系在低温下的性能变化规律,建立起适应于低温地区的隔震设计就显得尤为重要。针对于此,本文首先简单而全面的对橡胶隔震支座的基本设计理论做了总结介绍,包括隔震橡胶支座的材料组成、分类、恢复力模型和竖向性能、水平性能的理论研究,为第三章的试验研究提供了理论基础。然后在 23℃至-40℃的低温环境下对不同剪切模量的天然橡胶支座和铅芯橡胶支座进行了竖向压缩试验和水平剪切试验,同时对试验所用支座的橡胶材料进行低温下的剪切性能试验,以此得到低温对橡胶隔震支座及其橡胶材料力学性能的影响规律。最后在第三章试验研究的基础之上,建立基础隔震结构有限元模型,以低温下支座力学性能划分为 5 个工况,分别为-40℃、-30℃、-20℃、-10℃和 23℃所对应的试验参数,进一步探讨了隔震结构减震系数、支座的滞回曲线、罕遇地震时隔震结构各支座的最大位移和隔震结构整体性能随温度变化的规律。得到如下结论:
1.23℃至-40℃下铅芯橡胶隔震支座和天然橡胶隔震支座的竖向压缩试验表明支座在各低温下的竖向压缩刚度与常温 23℃下相比差异较大,两种支座的竖向压缩刚度均随着温度的降低逐渐增加,其中 GZP500 型支座的竖向刚度最大增长 58%;GZP600 型支座的竖向刚度最大增长 42%;GZY500 型支座的竖向刚度最大增长 93%。
2.通过支座的低温相关性水平剪切试验发现天然橡胶隔震支座的等效水平刚度有明显变化,温度越低等效水平刚度越大,但是其等效阻尼比随着温度的降低基本保持不变。对于铅芯橡胶隔震支座而言,低温对其等效水平刚度和屈服剪力的影响较大,均随着温度的降低而逐渐增加,屈服后刚度和等效阻尼比也有着类似的变化趋势,但二者受低温的影响程度要低于等效水平刚度和屈服剪力的变化。等效水平刚度在试验温度范围内最大增加31%;屈服后刚度在试验温度范围内最大增加 10%;屈服剪力在试验温度范围内最大增加86%;等效阻尼比在试验温度范围内最大增加 6%。
参考文献(略)