自适应基础隔震结构在近断层脉冲型地震作用下的隔震控制机理与失效模式研究

Seismic base isolation is one of the most successful techniques to mitigate the risk to life and property from strong earthquakes. However, the optimal design of base isolation systems depends on the magnitude of the design level earthquake that is considered, and the isolation parameters are constant. Therefore, the features of an isolation system designed for an earthquake typically will not be optimal for another. To be effective during a wide range for ground excitations including pulse type near-fault ground motion, an isolation system must be adaptable. In this study, a self-adaptive control isolation system is developed basing on the research of the high-damping rubber bearings. The control parameters of the self-adaptive control isolation system can be self-change according to the velocity response of isolation devices. The control mechanism of the self-adaptive control base isolation structure is investigated. Firstly, the horizontal mechanic performance of the high-damping rubber bearings is studied theoretically and experimentally. An innovative self-adaptive control algorithm is then proposed. Secondly, the mechanism of energy dissipation and the failure process of the self-adaptive control base isolation structures under the pulse type near-fault ground excitation are studied. Lastly, the real-time hybrid substructure test system is setup basing on the velocity feedback of isolation device. The isolation control mechanism will be confirmed by means of the experimental system. In these research, a new type base isolation structure will be provided. It will promote further applications of the base isolation technology in the pulse type near-fault zones.

基础隔震技术是减轻地震灾害的有效手段，但针对近断层脉冲型地震动下，由于隔震参数固定、控制目标单一，造成隔震层变形过大和控制效果不佳的问题。本项目结合高阻尼隔震橡胶支座自适应性能的研究现状，拟构建自适应基础隔震结构体系，该体系具有以隔震装置速度状态反馈为基准的隔震参数自适应可调、可控特征。并对该体系在近断层脉冲型地震下的隔震控制机理与失效模式展开研究。首先，建立涵盖高速率、大应变的高阻尼橡胶材料的速度型力学模型，构建隔震装置的阻尼参数自适应控制算法；进一步基于隔震结构控制指标的增益优化控制理论，建立自适应基础隔震建筑的优化控制方法，揭示其能量传递规律，阐明隔震控制机理，探明隔震失效控制模式；通过速度状态反馈控制的实时子结构实验，验证自适应基础隔震结构在脉冲型地震下的控制机理，完善其隔震设计方法；该研究将为确保近断层脉冲型地震下基础隔震的控制效果，为构建损伤可控型基础隔震结构提供了新的方法。

通过数十年的发展，叠层橡胶支座已经发展成为目前广泛应用的隔震装置，但是还面临着水平耗能少、竖向面压低及超大规格支座质量难以控制等难点。随着隔震技术在高层、大跨度等大型工程结构中的应用推广，迫切需要研发具有竖向承载能力强、水平耗能高及质量可控的隔震装置。本研究通过NCO-硬段质量含量调节和引入软段HTPP分子嵌段的两种技术手段，研发了具有剪切模量高、极限变形能力强的阻尼型改性可浇筑聚氨酯弹性体（Casting Polyurethane Elastomer - CPUE）材料。在此基础上研究了材料力学性能与成型工艺，进一步研制了可浇筑型高承载力叠层隔震支座，并通过试验对其基本力学性能进行了系统研究，建立了精确的剪切本构模型，探讨了该支座在桥梁隔震中的应用方法。.围绕CPUE材料的改性技术与材料力学性能、高承载力叠层隔震支座的力学性能与模型、桥梁隔震应用方法等三个方面展开。材料性能方面研究包括：基本合成与改进方法、力学性能和耐天候性能；支座力学性能研究主要包括：竖向承载性能、水平变形性能、摩擦性能、耐久性能和极限承载破坏；桥梁隔震设计方面：针对支座屈服后刚度较大和材料的耐磨特性提出摩擦滑移与水平剪切组合隔震方式。本研究工作跨越材料化学和土木工程两个学科。所取得的主要研究成果包含以下四个方面：.（1）针对不同配方的CPUE材料进行力学与耐天候性能研究，研究NCO-含量调节技术和小分子HTPP嵌段技术对CPUE材料的拉伸、剪切、抗剥离性能的影响；.（2）通过对28个高承载力支座的力学性能进行试验研究，确定了支座成型工艺，研究了参数在日常服役承载性能、强震下剪切变形与耗能性能及耐久性能三种情况下的变化规律。.（3）CPUE材料具有软硬段微相分离和强速率相关性特点，进一步提出带摩擦单元的流变体剪切本构模型，通过试验确定材料本构模型参数，验证了该模型的精确性。.（4）基于CPUE的耐磨性能与剪切变形能力，提出高承载力支座在桥梁隔震应用中的滑移组合式隔震方法，将滑移组合式隔震方案与抗震方案和铅芯隔震方案进行对比。