基于接触动力学的基础隔震结构软限位理论和方法研究

The damage of the isolation layer or overturning of the base-isolated structures or colliding with the adjacent structures may be caused for base isolation buildings under violent earthquakes. It is an effective to protect the base-isolated building by the soft pounding. However, high frequency response of superstructure can`t be simulated due to the lack of consideration of the contact moment. Two processes as contact and deformation ware proposed. Contact stiffness was considered in the first process, and deformation stiffness was done in the second one. This project will focus on pounding, and analyze the relationship of the contact stiffness with high frequency of superstructures and with high acceleration responses to provide a new theoretical basis for technical of limiting deformation base-isolated building. A new method of soft contacting and soft pounding is proposed both to reduce high frequency response of the structure and to limit deformation of the isolation layer. Last, the effect of the new limiter will be verified by the shake table test. This method which improves the technology of limiting displacement of base-isolated structures, has great practical significance and can be widely used in base-isolated buildings.

大震作用下基础隔震结构的隔震层可能会发生过大变形，致使隔震层破坏、结构倾覆或隔震结构与相邻结构发生碰撞。软限位是减小隔震层变形、保护隔震结构的有效办法，但现有研究成果没有考虑接触瞬间的冲击效应，无法模拟上部结构因碰撞产生的高频、高峰值加速度等反应。本项目拟将限位过程分为接触和变形前后两个过程，前者采用接触动力学方法，重点研究接触冲击效应，探求高频、高峰值加速度反应产生的机理及其对隔震效果的影响，后者采用普通动力学方法，重点研究限位效果。本项目拟通过研发非线性限位器，实现软接触软限位，既降低碰撞产生的冲击反应，又保证限位效果。拟通过拟静力试验和冲击试验测定限位器的性能，通过振动台试验验证软接触软限位的降频、降加速度效果和限位效果。该方法能进一步完善基础隔震限位技术，可在隔震结构中的得到普遍应用，具有极大的实践意义和广阔的应用前景。

当隔震结构遭遇巨震、长周期地震或近断层地震时，上部结构可能因隔震层变形超过设计值而与挡土墙或相邻建筑碰撞，造成隔震层或上部结构损坏。本文对带限位隔震结构的力学模型、软碰撞限位和硬碰撞限位的限位效果及其对上部结构动力响应、隔震层受力、碰撞接触力和接触点加速度的影响，进行了较为深入的理论分析和试验研究。主要工作和研究成果概述如下。.1. 接触刚度和接触阻尼试验研究。对接触刚度和接触阻尼的相关研究进行了总结，完成了120组钢柱撞击钢板和混凝土的自由落体碰撞试验，得到了两种材料碰撞的接触刚度和接触阻尼系数的取值范围。.2. U型限位器力学性能试验研究。完成了68组不同几何参数U型限位器的静力试验，提出了限位器的本构关系模型，获得了其屈服力、弹性刚度与钢板厚度、宽度及弯曲段半径之间关系等的回归公式。.3.带软碰撞限位隔震结构动力响应试验研究。设计了3组弹簧限位器、1组U型限位器和1组复合限位器，进行了带和未带限位隔震结构缩尺模型的地震模拟振动台试验。结果表明，①随着预留间隙的减小或限位器刚度的增加，隔震层变形逐渐减小；②预留间隙较大或限位器刚度较小时，不但未起到限位作用，还可能导致隔震层变形增加；③限位效果与限位器的刚度密切相关，而与限位器的类型关系较小。.4. 带硬碰撞限位隔震结构动力响应试验研究。设计了钢墩、垫橡胶钢墩和混凝土墩3种刚性限位器，进行了硬碰撞限位试验。结果表明，①刚性限位器相比弹性限位器能更有效地减小隔震层变形；②硬碰撞限位时，层间位移峰值可能增加2倍以上，而弹性限位时仅增加50%左右；③硬碰撞限位会激起上部结构的高频、高幅值加速度反应，而软碰撞限位结构的反应则要低得多。.5. 带限位隔震结构力学模型及动力响应分析。提出了考虑限位器质量的带限位隔震结构力学分析模型，建立了适用于软、硬碰撞限位的隔震结构运动方程。忽略限位器质量，采用Matlab编写了带限位隔震结构的时程分析程序，并通过前文试验数据进行了验证。