高性能低造价村镇隔震技术的研究

This project focuses on development of a low-cost and high-performance seismic isolation technology. A new muilti-layer elastomeric isolators,in which fiber reinforment engineering pastic sheet is used to replace steel sheet to produce lightweight, cost-effective isolators for application to rural buildings. The closed-form solutions to the stiffness and strength of FRPS bearings are derived. The experimental study of this project covers the mechanical characteristics and durability of the new FRPS bearings. Finite element models of FRPS bearings are built to investigate the damage failure of the new isolation bearings under complex stress and deformations conditions. Two combined isolation stratagies with FRPS bearings are put forward. A Life-cycle-cost-analysis of the isolated rural building is conducted based on cost-benefit criteria. Reliability the new isolation system is also evaluated. A set of practical design method, connection construction scheme, and construction technology are developed. This project can provide necessary scientific and technological support for popularizing the seimic isolation technology in developing countries, which is of theoretical and practical significances and good application prospect.

本项目致力于研发适合于不发达村镇地区的高性能低造价隔震技术。通过开发纤维增强工程塑料板（FRPS）替代传统橡胶隔震支座中的钢板，研制出新型FRPS天然橡胶支座与FRPS高阻尼支座，其制作工艺更简便，质量更可控，成本大大降低。本项目基于复合材料力学建立FRPS支座的刚度与强度理论公式，系统研究其力学与耐久性能。建立FRPS支座的细观有限元模型，分析支座在各种复杂受力变形条件下的损伤极限性能。本项目提出村镇结构基于FRPS橡胶支座的具体隔震方案，对村镇隔震体系进行基于投资-效益准则的全寿命经济分析， 研究其强震下的动力可靠度。本项目的研究成果是提出一整套简单易行的设计方法、连接构造方案与施工工艺。该项目的研究将有利于隔震技术在不发达村镇地区的普及推广，具有重要的科学理论价值、现实意义与应用前景。

本项目研发了新型简易隔震支座——工程塑料板橡胶隔震支座，该支座采用纤维加强复合材料板替代普通橡胶支座中的钢板，具有重量轻、造价低、便于运输与施工、适合于低矮村镇建筑等优点。项目组对纤维增强工程塑料板进行拉伸和弯曲性能试验，基于复合材料力学建立了简易隔震支座的的刚度与强度理论公式。开发了多种型号的简易隔震支座产品，对各型号支座进行了系统的压缩特性、水平剪切特性、压应力相关性、剪应变相关性、温度与频率相关性、竖向极限特性等力学性能试验。根据试验结果给出了该隔震支座的界限性能曲线，在此基础上提出了该支座的合理设计区域。利用ABAQUS建立了简易隔震支座的有限元模型。分析了在竖向压缩和水平剪切状态下，支座内部工程塑料板和橡胶层的应力状况，探讨支座水平刚度和工程塑料板弹性模量的关系，以及工程塑料板和橡胶层应力状况随加劲层弹性模量、边界有无固定约束等因素变化的规律。在此基础上，提出简易隔震支座的水平承载机理，以及翘曲因素对支座内部工程塑料板和橡胶层应力状态的影响规律。按1/4缩尺比对村镇民房典型结构进行原结构模型、加强结构模型和隔震结构模型的模拟地震振动台试验。通过对比分析原结构模型、加强结构模型和隔震结构模型在不同地震输入下的结构反应特征，综合考察典型农村自建民居原结构和加强结构的抗震性能，并对简易隔震支座砌体结构的隔震减震效果进行综合评价。利用ABAQUS建立原结构模型、加强结构模型、隔震结构模型的三维非线性动力有限元分析模型，对之进行弹塑性地震反应分析，并与试验结果进行对比。在此基础上分析了原结构模型、加强结构模型和隔震结构模型中裂缝开展情况，进一步验证了简易隔震技术的有效性，为该技术的实际工程应用提供了理论支持。基于简易隔震技术提出一整套简单易行的设计方法以，以及适用于低矮村镇建筑的隔震连接构造措施和施工工艺，并将该简易隔震技术应用于强震区某乡村抗震示范楼工程。