山地掉层隔震结构倾覆失效机理及振动台试验研究.doc

山地掉层隔震结构倾覆失效机理及振动台试验研究云南属高原山区,其境内山区、半山区面积占全省总面积的94%,建设用地匮乏。山地建筑是一种与山地地形紧密结合、与自然环境高度融合的建筑形式,在开发坡(台)地时可避免大量挖、填方工作,优势显著,因此山地建筑在云南的应用前景十分广阔。然而,云南又是我国地震灾害最严重的省份之一,山地建筑由于先天竖向不规则,导致其抗震能力较弱,加之山地建筑结构抗震设计理论研究严重滞后于工程实践,因此在地震区建设山地建筑存在抗震安全隐患。在此背景下,本文提出将隔震技术应用于山地建筑中,形成山地隔震建筑,以提高山地建筑的抗震能力。本文关于山地隔震建筑的研究内容及结论如下:1.在第一章中,根据隔震技术的特殊要求,结合传统山地建筑形式,将山地隔震建筑划分为斜板式、掉层式、吊脚式及层间式4种结构形式,并指出了每一种结构形式存在的特定问题,本文以典型的掉层式隔震结构为研究对象。2.在第二章中,首先利用静力有限元法研究了基础隔震和山地掉层隔震结构在水平地震和结构自重共同作用下隔震层橡胶支座竖向应力的分布规律,在此基础上引入橡胶支座竖向拉压刚度不一致的条件,以橡胶支座受拉或受压达到其极限承载力作为隔震结构倾覆失效的临界条件,分别对传统基础隔震和山地掉层隔震结构的倾覆失效问题进行了研究,得到了传统基础隔震结构修正的高宽比限值计算公式和山地掉层隔震结构横坡向、顺坡向高宽比(名义高宽比)限值的计算公式,揭示了山地掉层隔震结构顺、横坡向倾覆失效的机理。3.在第三章中,针对传统分部设计法的缺陷,提出了适用于山地掉层隔震结构的包络设计法,采用该包络设计法设计了一栋位于8度设防区掉2层1跨的混凝土掉层隔震框架结构,并通过有限元数值分析初步证明了包络设计法的有效性,最后以该掉层隔震框架结构为试验原型制作了相似比为1:10的振动台试验模型。4.在第四章中,以选定的三条地震波分别按不同的地震水准对山地掉层隔震和抗震结构模型进行一系列的振动台试验,综合考察了山地掉层隔震和抗震结构模型的抗震性能,最后建立了振动台试验的有限元模型,并和试验结果进行了对比。结果表明:山地掉层隔震结构的抗震性能明显高于抗震结构;试验结果直接验证了包络设计法的有效性和山地掉层隔震结构横坡向、顺坡向倾覆控制理论公式的正确性。5.在第五章中,首先基于橡胶支座抗拉性能差的特点,提出了一种新型导轨式抗拉橡胶支座,并通过拟静力试验分别对普通橡胶支座和导轨式抗拉橡胶支座进行了水平压剪和竖向单轴拉伸试验研究,接着借助ABAQUS有限元分析平台对单个抗拉装置及导轨式抗拉橡胶支座进行了有限元数值模拟,最后根据拟静力试验和有限元分析结果提出了导轨式抗拉橡胶支座的本构关系,并通过工程实例证实了导轨式抗拉橡胶支座可以大幅度提高隔震建筑的抗倾覆能力。目前国内外在山地隔震建筑的研究领域仍属空白,上述研究有助于提高山地建筑的抗震性能,缓解建筑用地的压力;有助于了解山地掉层隔震结构顺坡向与横坡向倾覆失效机理,在方案阶段正确地评估山地掉层隔震结构抗倾覆能力,同时为提高山地掉层隔震结构抗倾覆能力提出了一种抗拉能力强的导轨式抗拉橡胶支座,本文的研究结果为山地掉层隔震结构的设计提供一定依据和参考。