非固结混凝土承台减震结构的动力模型及损伤机理研究

我国河北唐山及四川汶川发生的强烈地震造成了巨大的人员伤亡和财产损失，加紧构建特大地震作用下具有高抗震能力的城镇建筑结构体系已成为亟待解决的课题。本申请项目旨在建立非固结混凝土承台减震结构体系，通过基础理论研究、动力模型试验和数值分析等方法，系统地开展非固结混凝土承台与聚氨酯高阻尼材料复合减震层的本构关系及弹塑性滞回性能研究，提出考虑压应力/应变/频率等多因素效应的数学力学模型；研究非固结混凝土承台减震结构考虑水平双向地震与竖向地震耦合效应的非线性分析模型，提出减震结构考虑冲击效应的数学力学模型、反应谱分析理论以及相应的地震反应预测理论；特别是通过静力及动力试验和理论研究探索非固结混凝土承台减震结构在特大地震输入下的性态特征和损伤机理。本项目的开展对于提升我国城镇民用建筑的抗震安全性能具有重要的意义，符合国家城镇建设发展和抗震防灾规划，项目将力求为非固结混凝土承台减震结构提供应用基础理论。

1976年唐山及2008年汶川发生的强震造成了巨大的人员伤亡和财产损失，本项目针对城镇多层及低层建筑结构，提出一种新型建筑减震体系即非固结减震结构体系的设想，针对该减震结构体系开展了地震作用下非固结减震结构的空间动力模型及损伤机理研究工作，主要研究工作内容和取得的研究成果包括：①针对非固结减震体系提出一种锥形非固结减震装置，对装置的关键参数坡度角及聚氨酯高阻尼材料复合减震层开展研究，设计并加工不同坡度角和减震层为氯丁橡胶、丁基橡胶、聚四氟乙烯等的锥形非固结隔震支座，对不同参数的支座进行水平力学性能试验，研究坡度角、阻尼材料类型、阻尼材料厚度、加载振幅、加载频率及高应力等对支座力学性能的影响，试验结果表明非固结支座在多因素影响下具有稳定的力学性能，得到了不同坡度角、减震层材料支座的耗能能力及各种因素的影响规律。②基于不同坡度角非固结支座静力试验滞回曲线，采用ABAQUS软件进行支座三维模拟，采用超弹性力学模型系统地开展非固结混凝土承台与聚氨酯高阻尼材料复合减震层的本构关系及弹塑性滞回性能研究，对支座的运动过程进行数值模拟，提出支座受力位移三阶段的运动状态，基于三阶段的运动状态提出考虑压应力/应变/频率等多因素效应的支座恢复力骨架曲线公式及简化模型。③对采用非固结锥形隔震支座的缩尺1:4钢框架结构模型进行了水平和竖向单向地震波输入下的振动台试验。通过输入不同类型的地震波分析上部结构和锥形支座的地震反应。试验结果表明，在8度和9度罕遇地震作用下，上部结构的加速度峰值比输入加速度峰值增加10%-50%，与普通抗震结构相比具有较理想的减震效果。采用有限元软件建模分析大震下非固结减震结构的动力响应，数值模型的地震响应与振动台试验实测曲线较吻合，试验与数值分析结果一致性良好。④基于锥形非固结支座的几何特性，分析了非固结支座在地震作用下的冲击效应，探讨了冲击效应在不同地震烈度、不同场地波下对结构响应的影响。采用有限元软件模拟非固结隔震结构的地震响应，结合振动台试验结果分析结构的冲击效应，划分两种冲击状态并定义了冲击放大系数，建立了非固结减震结构冲击效应的判定标准。⑤针对锥形非固结支座不能承受拉力的特点，研究了罕遇地震下结构的抗倾覆可靠性，提出了三种非固结结构高宽比限值计算方法，分析不同烈度区、不同场地条件下结构的高宽比限值，给出了非固结隔震结构的抗倾覆验算的计算依据。