加层隔震结构隔震支座参数优化及试验研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇加层隔震结构隔震支座参数优化及试验研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要： 研究外套加层隔震体系在对老旧砌体房屋改造过程中铅芯叠层橡胶隔震支座（LRB）的参数优化配置问题，并对参数优化后结构的弹塑性进行数值分析和试验研究。选取隔震层的屈重比作为隔震支座的控制参数，建立模型分析隔震层在不同屈重比下结构的基底剪力和隔震层位移。分析表明加层隔震结构的隔震层存在一个最优的参数范围使得结构在地震作用下的响应最小，结构进入塑性后，仍能发挥较好的隔震效果。试验结果表明经参数优化的层间隔震结构随着地震输入幅值的增加，隔震层上部结构的调谐作用越强，其隔震效果越明显，当结构震损后隔震效应依然存在，但隔震效果小于未损伤的模型，与理论相符合。关键词： 加层隔震； 参数优化； 屈重比； TMD效应

中图分类号：TU352.12； TU311.3文献标识码： A文章编号： 10044523（2013）05072210

引言

基础隔震结构自2001年被纳入中国《建筑抗震设计规范》以来，针对基础隔震体系的研究越来越成熟。层间隔震体系是对基础隔震体系的进一步发展[1]，将隔震支座设置于某层柱和楼板之间进行结构地震响应控制。叠层橡胶铅芯支座（LRB）是目前工程界普遍应用的隔震元件[2]，在普通叠层橡胶支座（RB）中灌入铅芯而成，铅的屈服力低，再结晶能力强，当支座发生反复的剪切变形时具有很好的消能能力，将隔震、消能与限位等诸多功能结合在一起。然而LRB是一种强非线性的隔震元件，LRB的滞回消能特性主要由其屈服剪力、初始剪切刚度和屈服后刚度所决定。层间隔震结构工作机理比较复杂，较小的隔震层刚度可能有效控制隔震层上部结构的地震响应，却有可能放大下部结构的地震响应[3]。如何合理优化这些参数，使结构总体地震响应最小，是进行层间隔震设计的重要问题[4]。

利用加层隔震技术对老旧砌体房屋进行加固是一种较新的加固方式[5]，采用外套预制混凝土墙片对原砌体结构进行加固，并利用加层隔震技术在原房屋顶部增加楼层以提高城区的土地利用率，可达到施工便捷与经济效益的结合。这种特殊结构体系在隔震设计过程中需要进行参数优化，以达到最好隔震加固效果[6]。本文针对这种新型的隔震加固体系，提出了LRB的参数优化方案，以实际工程项目为依据建立了不同隔震层参数下的结构计算模型，分析不同隔震层参数下结构的地震动反应，进行参数优化，并进行了相关的弹塑性分析和试验研究，检验参数优化后的隔震加固效果。

1LRB恢复力模型的选取

现有的LRB恢复力模型中，比较常见的有双线性模型、修正双线性模型、BoucWen模型等。采用双线性模型与修正的双线性模型进行隔震计算时，会存在以下两个缺陷：（1）屈服后刚度和卸载刚度与试验曲线都不太一致，特别是过低评价卸载刚度，将会过低地评价高阶振型激发的加速度反应值；（2）内滞回曲线不耗散能量，这与试验结果不符，可能低估隔震效果。BoucWen模型能够很好地模拟橡胶支座的非线性强化，同时适用于高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座。结构分析软件SAP2000和ETABS等采用简化后的BoucWen模型来模拟铅芯橡胶支座。

本文利用有限元软件ABAQUS对隔震模型进行地震作用下的弹塑性分析，以检验其进入塑性阶段后的隔震效果。RambergOsgood模型适用于模拟高阻尼橡胶隔震支座。日本免震协会将修正双线性模型与RambergOsgood模型组合来模拟铅芯橡胶支座，该模型在各个方面（等效刚度、等效阻尼、能量耗散等）与试验结果取得了很好的一致性。该模型骨架曲线与修正双线性模型相同，滞回曲线加载段采用双线性模型、卸载段采用RambergOsgood模型。其滞回曲线如图1所示。在综合比较了各个恢复力模型的优劣后，通过组合使用TRUSS单元与用户材料子程序UMAT，在ABAQUS中开发了修正双线性+RambergOsgood模型。图2为ABAQUS数值模拟的LRB支座滞回曲线，图3为试验实测LRB滞回曲线，可以看出，开发出的修正双线性+RambergOsgood模型与试验结果吻合较好。

可以看出：

（1）7层隔震模型与5层加固模型的楼层加速度在多遇烈度输入下相当；随着地震输入量级的增加，其隔震减震效果越来越明显；7层隔震模型的楼层加速度小于5层加固模型。

（2）隔震方案不论对下部混凝土加固砌体还是上部加层钢框架都非常有利。7层隔震模型上部框架部分的楼层加速度远小于7层非隔震模型；7层非隔震模型的顶部钢框架部分有明显的鞭梢效应。

（3）结构震损前数值模拟结果与实验结果较为一致。结构震损后，经参数优化的隔震支座仍能发挥一定的隔震效果，其砌体部分的加速度仍然小于5层加固结构，与弹塑性分析的结果一致。

（4）结构在震损后，隔震模型对隔震层上部的结构地震力仍然有减小的作用，但隔震效果小于未损伤的模型。由于模型损伤后下部结构的刚度发生较大变化，按原来未损伤结构计算优化的隔震层的隔震效果有所退化。

5结论

本文针对采用外套预制混凝土墙片对砌体结构进行加固，并利用加层隔震技术在房屋顶部增加楼层的新型隔震加固体系进行研究，分析不同隔震层参数下结构地震响应，进行参数优化，并开展相应弹塑性分析和试验研究，得到如下结论。

（1）隔震层屈重比对加层隔震结构中隔震层上部及下部的结构地震响应均有较大影响。数值分析结果表明，存在一个合理的屈重比范围，可使得小震下结构基底剪力最小，大震下隔震层位移可能降低，达到结构总体地震响应最优。

（2）理论与试验研究表明，隔震方案不论对下部混凝土加固砌体还是上部加层钢框架都非常有利。加层隔震结构随着地震输入量级的增加，其隔震减震效果越来越显著。

（3）加层隔震结构进入塑性后，在弹性范围内计算所得经过参数优化的隔震层仍能发挥较好的隔震能力，使得结构的底部剪力有较大降低，但隔震效果比未损伤模型有所退化。

参考文献：

[1]周福霖，张颖，谭平. 层间隔震体系的理论研究[J].土木工程学报，2009，42（8）：1―8.

[2]刘文光，周福霖，庄学真，等.铅芯夹层橡胶隔震垫基本力学性能研究[J].地震工程与工程振动， 1999， 19（1）：93―99.

[3]李向真，欧海龙，林舒. 层间隔震结构计算模型的简化分析[J]. 地震工程与工程振动， 2002， 22（1）：121―125.

[4]祁皑，林云腾，郑国琛. 层间隔震结构工作机理研究[J].地震工程与工程振动，2006， 26（4）：239―243.

[5]高剑平，王斌，刘礼君，等. 多层框架结构利用铅芯叠层橡胶支座加层减震分析[J]. 华东交通大学学报，2009， 26（1）：1―6.

[6]张俊发，刘云贺，田洁. 铅芯橡胶支座应用于多层框架结构的增层减震研究[J].西安建筑科技大学学报，2000， 32（2）：139―142.

[7]田洁，张俊发，刘云贺，等.铅芯橡胶支座基础隔震体系参数优化配置研究[J]. 世界地震工程，2003，19（1）：158―163.

[8]王中强，余志武.基于能量损失的混凝土损伤模型 [J].建筑材料学报，2004，7（4）： 365―369.