橡胶支座隔震结构模型动力相似机理及设计方法研究

Dynamic similitude of the building isolation model with the rubber bearings is the key issue in the shaking table testing of the isolated structures. The dynamic mechanism of the scaled building isolation models with rubber bearings will be studied, including the related design methods that satisfy the dynamic properties and the responses of the upper structural system, transfer layer, and the isolation layer. The hysteretic performance of the rubber bearings with various dimensions will be tested and the corresponding similitude relationship will thus be established. To discover the potential dynamic similitude mechanism of the isolation layer in terms of the dynamic properties and the responses, the finite element model of the rubber bearings and the global structure will be created to analyze the 3D stiffness degradation, deformation damage, and energy dissipation features. Based on this, the dynamic similitude design approaches of the scaled isolated building model will be founded. In order to solve the planner configuration, and determine the actual amount of the rubber bearings, the dimension, mass, stiffness of the transfer and the isolation layer will be analyzed by trial and error. To investigate the reliability of the design program, shaking table test will be conducted and the final dynamic similitude design approach will be confirmed. This proposal aims to make advancement on the similitude design mechanism of the building isolation structure, and provides the theoretical and technical support to design the scaled model with similar complex structural behaviors.

橡胶支座隔震结构模型动力相似是振动台试验研究亟需解决的关键问题。拟研究不同比例橡胶支座隔震结构模型动力相似机理，聚焦因缩尺而导致上部结构、转换层及隔震层相似常数的变化，以及基于动力效应的相似常数调整方法。首先研究不同尺寸橡胶支座的滞回性能，寻求不同比例隔震支座的力学性能相似要点，揭示隔震层关键参数的动力相似机理；进而分析缩尺给模型结构的多维尺寸、刚度及质量等参数带来的影响，研究带隔震层整体结构变形破坏和耗能机制等，提出隔震模型结构动力相似设计方法；其三，建立隔震结构有限元数值模型，设计制作典型缩尺隔震模型，开展带隔震层整体结构试验分析，验证隔震结构动力相似机理和方法。项目研究成果将揭示隔震结构基于结构动力效应相似的理论本质，明确影响橡胶支座隔震结构模型相似关键参数，拓展复杂结构相似模型设计方法，为类似复杂结构模型动力相似机理和相似设计提供理论和技术依据。

橡胶支座隔震结构模型动力相似是结构模型振动台试验亟需解决的核心技术和关键问题，其中小尺寸橡胶支座的力学性能、不同尺寸橡胶支座之间的相似机理、橡胶隔震层的相似机理以及基于整体结构动力效应的橡胶支座隔震结构相似设计方法等，尚缺乏系统、深入的研究。本项目研究了不同比例橡胶支座隔震结构模型的动力相似机理，从不同尺度铅芯橡胶支座相似机理出发，研究了因缩尺而导致的结构模型转换层和隔震层相似参数的变化对模型试验结果的影响，提出了基于结构动力效应的相似常数调整方法。首先通过试验与数值模拟对不同尺寸橡胶支座的力学性能进行研究，证明缩尺铅芯橡胶支座的水平性能与原型支座具有较好的相似关系，但竖向性能则随着第一形状系数的降低产生较大的软化失真；深入分析小尺寸橡胶支座各向力学机理和关键影响参数，提出了相似设计要点，给出考虑竖向压应力影响的竖向刚度公式，供小尺寸铅芯橡胶支座的设计使用；接着建立了橡胶支座隔震结构典型缩尺模型的OpenSEES模型，对多维尺寸、刚度和质量等关键参数变化及其动力相似机理进行剖析，提出了考虑结构效应的橡胶支座隔震结构模型动力相似设计方法，该方法不再拘泥于单个橡胶支座的相似，而是从结构效应出发，建立模型与原型间的相似，不仅能够保证模型结构反应准确代表原型结构，还赋予结构模型设计更多的灵活性。其三，结合原型和模型橡胶支座的试验数据与隔震结构典型OpenSEES模型，开展了带隔震层整体结构数值分析，验证所提出的隔震结构动力相似机理和设计方法。项目研究成果揭示了隔震结构基于结构动力效应相似的理论本质，明确了影响橡胶支座隔震结构模型相似的关键参数，进一步扩展了隔震结构模型设计方法，为类似模型动力相似设计提供理论和技术依据。后续将重点研究橡胶支座的力学性能及相似关系的不确定性，以及基于多维本构变换的试验验证方法。