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组合盆式橡胶支座性能分析(可编辑).doc

组合盆式橡胶支座性能分析(可编辑)

爱你都是为了疼你
2017-09-27 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《组合盆式橡胶支座性能分析(可编辑)doc》,可适用于项目管理领域

组合盆式橡胶支座性能分析(可编辑)组合盆式橡胶支座性能分析摘要摘要地震给人类带来的灾难是深重的,各国许多学者致力于各种减震装置的研究。本文研究的对象是一种新型的隔震装置一组合盆式橡胶支座,该类型支座由篙式橡胶支座和型软钢阻尼器组合而成。本文主要研究内容包括以下三个部分:一、对目前的各种减震装置适用范围和减震性能进行了总结二、借助前人对盆式橡胶支座和型阻尼器的研究成果,对组合盆式橡胶支座进行了改型设计,并利用有限元软件对支座整体模型进行了有限元分析,得到了支座的力一位移滞回曲线,分析了支座耗能性能。最后,本文对一安装了这种组合盆式橡胶支座的基础隔震钢筋混凝土框架结构,进行了地震作用时程分析,对比分析了结构在地震作用下的减震效果。分析结果证明该型组合盆式橡胶支座具有较好的减震效果。关键词:组合盆式橡胶支座,基础隔震,滞回曲线,时程分析,,,、:同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名:王粱名日夕友厂年弓月学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定,同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名:王粟砑汐西年弓只》日年解密后适用经指导教师同意,本学位论文属于保密,在弓本授权书。指导教师签名:哮‰夕乙学位论文作者签名:王果剑印飞一年只伊手年弓只第章绪论第章绪论地震概述地震是一种自然现象,按其成因可分为三类:火山地震、陷落地震和构造地震。前两种地震的影响范围和破坏程度相对较小,而最后一种地震的破坏作用大,影响范围也广,在工程建筑设计中将其作为重点。构造地震的成因是地球内部岩石不停运动的结果,在它的运动过程中,始终存在巨大的能量,而组成地壳的岩层在巨大的能量作用下也不停地连续变形,不断地发生褶皱、断裂和错动,这种地壳构造状态的变动,使岩层处于复杂的地应力作用之下。地壳运动使地壳某些部位的地应力不断加强,当弹性应力的积聚超过岩石的强度极限时,岩层就会发生突然断裂和猛烈错动,从而引起振动,振动以波的形式传到地面,形成地震。由于岩层的破裂往往不是沿一个平面发展,而是形成由一系列裂缝组成的破碎地带,沿整个破碎地带的岩层不可能同时达到平衡,因此在一次强烈地震即主震之后,为达到内部应力平衡,岩层的变形还有不断的零星调整,从而形成一系列余震】。我国东临环太平洋地震带,南接欧亚地震带,地震区分布很广。其中有两大地震带:南北地震带和东西地震带。由于我国地震区域广阔而分散,地震频繁而强烈,在二十世纪内,震级等于或大于级的强地震已经发生次之多,其中发生于人烟稠密之处者,损失惨重。年陕西华县附近发生级以上地震,导致全国个县有震灾记录,这次地震之后又引起了饥荒和瘟疫造成了空前巨大的人员伤亡,共死亡万人,是世界上人员死亡最多的一次大地震。年唐山、丰南一带发生了级强烈地震,这是我国历史上一次罕见的城市地震灾害,北京和天津市受到严重波及,地震破坏范围超过万平方公里唐山地震造成万人死亡,万人受重伤,仅唐山市区终身残废者达名。唐山地区总的直接经济损失达多亿元,公共设施遭受严重破坏,灾情之大举世罕见。地震以其破坏力大、波及范围广、作用时间短,成为危及人类生命安全和社会经济损失的主要自然灾害之一。一次大地震不但造成大量的人员伤亡,还第章绪论使大量建筑遭到破坏,交通、生产中断,水、火、疾病等次生灾害发生,给人类带来了不可估量的损失。地震造成人民生命财产损失的主要原因还是工程结构在地震时所引起的倒塌和破坏。地震时,地震作用力附加于建筑物或构筑物上,使其内力及变形增加许多,而且往往改变其受力方式,导致建筑物或构筑物的承载力不足或变形过大而破坏。有些构件在地震作用下,由于节点强度不足、延性不够、锚固质量差等使结构丧失整体性而造成破坏。在强震的作用下,有些建筑物上部结构本身无损坏,但由于地基承载能力的下降或地基土液化造成建筑物倾斜、倒塌而破坏。为了应付这种突发性的自然灾害,人们主要致力于两个方面:地震预报和建筑物震害的工程控制。地震预报主要是要求在地震发生之前,预报出今后将发生地震的时间、地点和强度。预报的时、空、强都必须在一个明确有效的范围内,过大则失去意义。由于地震是地壳岩石层受力过大而破裂产生的,而人们既无法确切地知道一个地区受力的大小和分布,又无法确切地指明地壳深处岩石层的节理裂隙及其强度,因而还无法确切地断定地壳某处何时发生破裂。目前尚无明显的步骤和方法足以成功地预报所有地震,还必须积累更多的经验并进一步了解震源区的地质构造,才能达到预报要求的时、空、强。而对建筑物震害的工程控制则成为了当今对抗地震灾害的主要手段,它可划分为单体控制和系统控制两个基本范畴。其中单体结构的工程控制可以归结为以结构抗震设计规范为代表的结构抗震设计方法和以近年来研究与应用日趋繁荣的结构减震、隔震技术为特点的主、被动结构控制理论及方法。工程结构抗震设计是通过局部或整体加强建筑物以抵抗地震力作用,该方法目前研究已经比较成熟,国内外抗震设防目标的总趋势是:要求建筑物在使用期间,对不同频率和强度的地震,建筑物应具有不同的抵抗能力,即“小震不坏,中震可修,大震不倒”。这一抗震设防目标亦为我国抗震设计规范所采纳。但随着社会的进步,人类生活水平的提高,抗震设计基本准则已不能适应人们的要求,建筑物本身所具有的经济价值和室内日趋完善的生活用品,对于地震所带来的破坏有了更严格的要求,而这个是无法通过目前的抗震设计来完成的。从历年地震后所造成的经济损失统计亦可看出:年的唐山地震,造成的直接经济损失为亿元。年的墨西哥地震,则上升到了亿美元。年的阪神地震的经济损失则有亿美元。为了减少地震带来的经济损失,结构的减震、隔震技术就得到了很好的发展。用该方法去抵御地震给建筑物结构安全带来的危害,不第章绪论仅可使结构本身免遭破坏,也能使建筑物内部设备、贵重物品安然无恙,还能做到大震时基本上不中断人的正常生产、工作与生活。因此,有的专家认为隔震技术是结构地震防护设计中的一次方法革命引。基础隔震概况在目前的减震、隔震技术中,基础隔震由于机理明确、构造简单,所以应用比较广泛。该方法是在建筑物与基础之间设置一层具有足够可靠性的隔震层,减少地震能量向上部结构传递。只要隔震系统的刚度和阻尼适当,上部结构的水平地震加速度反应最佳时可减少,从而实现强震时,结构所受加速度很小,只作轻微平动,保障了人和建筑物的安全【。到目前为止,全世界已经有很多国家对基础隔震进行研究,并将其应用于实际建筑物中。目前基础隔震应用的范围还不是很广泛,主要集中于以下几个部:首脑机关、指挥中心、通讯、警察、医院和电力等设施的房屋建筑,确保这些机关和部门在强震时能正常工作用于防止贵重设备、仪器、产品的车间、仓库、避免设备、产品倾倒造成的破坏:用于桥梁,防止因地震发生时桥梁塌陷导致交通中断用于博物馆,使那些失而不可复得的无价珍宝免遭破坏用于核电站,不至因为地震过程中引起核泄漏用于地震区内有历史价值的古建筑,不致因抗震加固使原有建筑风貌受到影响用于一般工业与民用建筑,使人民生命财产获得可靠的安全保障。不过随着隔震技术的深入发展,它会慢慢地被人们所接受,与人类携手对抗地震这个几千年来一直困扰人类的自然灾害。减震机理工程结构减震控制的减震机理,可简单地用结构的动力方程式予以说明,即结构在地震力作用下的动力方程式【:第章绪论一式中:、、结构的质量、阻尼和刚度矩阵:,外部作用力矩阵包括风力,或其它可能施加的外力、、结构在外部荷载作用下的加速度、速度和位移反应矩阵地面地震加速度。工程结构减震控制就是通过调整结构的自振频率、自振周期通过改变、、结构阻尼或所施加的外力,来减少结构在地震过程中的反应。设、、为确保结构本身和结构中的人、仪器、设备、装修等的安全及处于下常使用环境状况所允许的结构加速度、速度和位移反应值,只要满足式即能确保结构本身和结构中的人、仪器、设备、装修等在地震过程中能处于正常使用环境状况,即:厂一九一,一卜结构基础隔震体系的基本特征结构基础隔震体系是指在结构物底部设置隔震装置而形成的结构体系。它包括上部结构,隔震层由隔震装置或加设阻尼装置等组成和下部结构三部分图。为了达到明显的减震效果,隔震装置及隔震体系必须具备下述的四项基本特性:第章绪论,青厂,,隔震器图隔震装置的荷载一位移关系曲线图结构隔震体系的组成承载特性隔震装置应具有较大的竖向承载能力,在结构物正常使用状况下或地震作用时,能安全地支承着上部结构所有重量和使用荷载,还要求具有较大的竖向承载力安全系数。隔震特性隔震装置应具有可变的水平特性图,在强风或微小地震时,具有足够的水平刚度,防止结构在微小外力作用下产生滑动。在中、强地震发生时,其第二水平刚度墨较小,上部结构可发生很大水平滑动,使“刚性”的抗震结构体系变为“柔性”的隔震结构体系,其结构基本周期五:大大延长,远离上部结构即传统结构的自振周期瓦,也远离地面的场地特征周期疋,从而把地面振动有效地隔开,明显地降低上部结构的地震反应,一般可使上部结构的加速度反应或地震作用降低为传统结构加速度反应~。复位特性隔震装置应具有水平弹性恢复力,使隔震结构体系在地震中具有瞬时自动“复位”功能。地震后,上部结构恢复至初始状态,满足正常使用要求。阻尼消能特性隔震装置应具有足够的阻尼,也即隔震装置的水平荷载与水平位移关系曲线的包络面积较大,具有较大的消能能力,防止地震能量向结构传递。适当的阻尼还可使隔震层的水平位移。明显减少。第章绪论常用的隔震器和阻尼器对于一个隔震系统来说,隔震层的性质将会影响整个结构在遭遇地震时结构反应的状况,因此隔震层各个构件的选取将会显得十分重要。为使隔震层构造简单,又要符合上面的四项基本特性,各国研究的隔震层大致分成了两个部分,一个就是隔震器,另一个就是阻尼器,将两者结合起来,以达到基础隔震的四项基本要求。目前开发的隔震器和阻尼器主要分为以下几种:普通叠层橡胶支座叠层橡胶支座铅芯叠层橡胶支座高阻尼叠层橡胶支座隔震器螺旋弹簧支座普通滑动支座滑、转动支座回弹滑动支座曲面转动支座弹塑性阻尼器粘性阻尼器阻尼器油阻尼器干摩擦阻尼器第章隔震设各研究状况第章隔震设备研究状况盆式橡胶支座组合盆式橡胶支座是滑、转动支座中一种比较常见的类型。该支座是国外在年代末开发的一种新型桥梁支座,它是利用设置在钢盆中的橡胶板承压和转动,用聚四氟乙烯板和不锈钢板之间的低摩擦平面滑动来适应桥梁的水平位移要求。盆式橡胶支座由于具有承载力大、转动灵活、滑移量大、构件高度低、结构紧凑、体积小、用钢量省、重量轻、维护简单及具有良好的缓冲性能和造价低等优点,在国内外桥梁工程上得到了广泛应用【】。盆式橡胶支座的构造特点盆式橡胶支座是由多个构件组成,主要有上支座板、不锈钢滑板、聚四氟乙烯板、中间钢板、承压橡胶板、下支座板、密封圈等,如图所示‘。一不锈钢滑板一聚四氟乙烯板一中间钢板一承压橡胶板密封圈一一下支座板,一,。一,【螽,、’,一,匿乏,,‘雾雾习’,一图盆式橡胶支座的构造盆式橡胶支座性能研究】第章隔震设备研究状况承压橡胶板放置在下支座板内,来传递支座反力和转角。由于承压橡胶板被密封在钢制凹盆内,处于三向应力状态,其承载能力大为提高,一般情况下,若钢盆不破坏,橡胶就不会丧失承载力。橡胶板的破坏应力可达,其抗压弹性模量比纯橡胶提高了多倍,而且在使用应力小于之下的压缩变形仅为,可以很好的限制支座的竖向位移。钢盆中的橡胶弹性压缩量与橡胶和钢盆的紧密程度有关,在实际使用中,应使橡胶与钢盆尽可能紧密。《公路桥梁盆式橡胶支座》规定:支座装配时,橡胶板与瓮环的问隙不得超过或橡胶板公称直径的。同时,处于三向应力状态下钢笳中的橡胶有类似液体的功能,转动灵活,能满足支座顶面转动的需要。通过试验研究可知:满足相同转角所需的转动力矩与试件的厚度成反比,与支座所受正应力成正比,与橡胶硬度成正比,与支座的直径立方成反比,在实际支座设计时支座的转动弯矩可参照经验公式:。×,×。×式中:口试验系数橡胶直径墨橡胶硬度修正系数橡胶温度修正系数。承压橡胶板所用橡胶一般分为两类:一种是在常温情况下温度大于使用的,以氯丁橡胶为主另一种是在低温情况下温度低于使用的,以天然橡胶和三元乙丙橡胶为主。这三种橡胶用于桥梁盆式支座时,具有各自的特点。天然橡胶抗破坏、抗蛹变性能、对变形的恢复能力很强,弹性模量对温度变化的敏感性较弱,但抗臭氧、耐老化的能力较差氯丁橡胶和三元乙丙橡胶虽有良好的抗臭氧性能,但抗蛹变以及对变形的复原能力不如天然橡胶,其中氯丁橡胶的耐寒性一般。另外由于氯丁橡胶属于结晶型橡胶,在延长使用期或贮存期会逐渐结晶硬化,其硬度、剪切模量和压缩模量将会提高,这会对桥梁橡胶支座的使用性能产生一定的影响。三元乙丙橡胶由于分子链内缺少极性基团,内聚力小,粘性差,而桥梁橡胶支座内有加劲钢板必须与胶料较好的粘合,因此三元乙丙橡胶需要特殊胶粘剂才能与钢板粘接良好,制造成本较高。第章隔震设备研究状况若防化老体系配方设计恰当,天然橡胶抗臭氧能力可有较大程度的提高,可以达到标准要求。综合上述情况,在一般条件下天然橡胶是生产桥梁盆式支座的首选胶种。表对这三种橡胶各种特性加以说明:表三种橡胶性能比较项目天然橡胶氯橡胶三元乙丙橡胶抗破坏性能特好好一般抗臭氧性能较差好特好抗蠕变性能特好一般一般一般一般变形恢复性能特好耐寒性能好一般特好盆式橡胶支座在荷载作用下盆底的应力和应变分布情况比较复杂,而橡胶支座的破坏不是发生在盆底,而是由钢盆的盆环发生破坏,使橡胶失去三向应力约束,而丧失承载能力,因此在设计中需保证盐环的强度储备。盆环主要承受承压橡胶板传递的压应力,使其产生拉应力,但跟底部支承情况有关系。当钢盆与混凝土支承直接连接时,由于混凝土的弹性压缩,使支座发生锅底状变形,因而使瓮环受压。这种变形使盆环产生预压应力,可抵消部分瓮环拉应力,对盆坏受力是有利的。而当钢盆直接支承在钢挚板上加压时,此时支座处于刚性支承状态,盆环上的应力有拉有压,即使盆环上产生压应力,但数值上还远小于弹性支承的情况。因为在刚性支承条件下,一方面由于支座的初始状态瓮底可能不平,因而承压时,由支座盆底的变形,会引起盆环受压。另一方面支座承压时,支座钢盆上的荷载由橡胶面扩展到支座底面,盆底反力对盆环产生弯曲应力,使盆环上口承压。在高应力下盆环沿高度方向的应力分布则比较均匀,可按拉密公式求解盆环应力:旷等式中:尺,,盆环外径和内径:第章隔震设备研究状况×万。橡胶平均压应力,橡胶高度和盆环全高。盆环除承受橡胶中心受压的侧向力作用外,当支座发生水平运动时,还要承受中间钢板或上盖板局部挤压所产生的水平力。因此设计时需适当加强盆环厚度或强度。在计算盆底厚度时,日本道路协会则按照悬臂板计算,墩顶反力采用均匀分布假定,计算中忽略盆壁的侧向力。盆底中央截面的弯矩可按式计算:~等生三:式中:恒载与活载产生的支点反力盆底边长:钢盆内径。而国内对于盆底计算虽沿用了悬臂板的方法,但对此法作了一些改进。按悬臂板计算板底弯曲应力,显然上缘受压,下缘受拉,所得结果不仅使钢盆设计比较笨重,而且与试验所得的上缘环向受拉不符。所以,对于承载力大的钢盆,宜采用轴对称的有限元法进行分析。一般,盆底应力很小,远未发挥钢材的作用,所以盆底厚度一般可按构造确定。但支座底板的厚度对支承混凝土的主拉应力影响较大,混凝土的最大主拉应力一般发生在盆环与底板相接部位附近。随着底板厚度增加,最大主拉应力急剧下降。由于主拉应力主要发生在接近盆底的局部范围内,设计桥墩支承垫石时应在顶面设置足够数量的网状钢筋,以避免垫石混凝土开裂。上盆盖的计算与盆底计算方法相同,也是采用有限元方法,一般情况按照构造要求确定即可。盆式橡胶支座用聚四氟乙烯板或填充聚四氟乙烯板与不锈钢板产生平面滑动来满足支座水平位移的需要。聚四氟乙烯是全氟化乙烯的聚合物,俗称塑料王,其分子式可用呸一呸。表示。与其他塑料相比,聚四氟乙烯耐高、低温性能良好,化学性能稳定。即使长年在大气中暴露,表面各项性能仍保持不变。第章隔震设备研究状况在盆式橡胶支座中应用聚四氟乙烯是因为它还具有低摩擦性能,当聚四氟乙烯互相对磨时,在滑动速度很低时,其初始静摩擦系数小于,且与动摩擦系数相接近。聚四氟乙烯与铸铁、钢板的静摩擦系数也很低。此外聚四氟乙烯的摩擦系数随滑动速度减少而减少,随负荷的增加而减少,因而特别适用于高负荷低滑动速度的桥梁支座。但聚四氟乙烯的耐磨耗性能及尺寸稳定性尚不够理想,因而在实际使用中,应适当地选择使用应力,以充分发挥其低摩擦系数的特性。此外可以通过添加适量的填充剂或加硅脂来改善聚四氟乙烯的耐磨耗性能。聚四氟乙烯的抗压性能和徐变跟约束条件有关。纯聚四氟乙烯板在无侧限。约束条件下的抗压弹性模量~,抗压比例极限~但在支座中,聚四氟乙烯板的部分厚度是镶嵌在中间钢板的顶面,此时的抗压弹性模量及抗压比例极限均可提高。同时,侧限约束对聚四氟乙烯板的徐变性能也有明显的影响。当试件部分厚度被约束时,徐变变形显著下降。纯聚四氟乙烯的耐磨耗性能一般较差,实际使用时,常掺入适当的填充料可使聚四氟乙烯的耐磨耗性能明显改善,但填充剂会提高聚四氟乙烯的摩擦系数,其稳定后的静摩擦系数约提高一倍。同时,填充聚四氟乙烯仍具有纯聚四氟乙烯的某些摩擦特性,如:正应力越高摩擦系数越低等。聚四氟乙烯的磨耗性能直接影响盆式橡胶支座的使用寿命,通过试验得知,聚四氟乙烯的磨耗性能与正应力、相对磨耗速度、相对磨耗距离和硅脂润滑等因素有关。其中,最主要的因素为正压力和相对磨耗速度。磨耗量随正应力的提高而增大,也随相对磨耗速度的增加而明显增大。型阻尼器现有的最经济最适用于隔震器的阻尼装置通常是依赖金属的塑性变形做成的阻尼器。金属在简单拉伸、压缩过程中,开始应力与应变关系是成正比,比例常数就是杨氏模量。应力一应变曲线在弹性段加载和卸载时能重复发生。如应变继续增加,它将达到一个材料屈服值。超过该点后材料开始进入塑性段。若应力从一个很高的值降到零,则金属不再回到其初始状态,而是有残留变形,即增加的塑性变形,如图所示【引。图中的面积代表输入功,而面积代表在点时金属中储存的第章隔震没各研究状况弹性能,同时也是卸载到点时释放的弹性能。上述两个面积之差代表金属中吸收的滞变能。对软钢而言,这些滞变能大部分将转变为热能,还有一小部分在与硬化和疲劳有关的状态变化中被吸收了。型软钢阻尼器就是属于这种金属阻尼器,它具有耿材、加工方便和耗能效果显著等优点,构件的形式如图所示:应力一叫』叫一门川应变图典型金属应力一应变图图阻尼器构件图当型阻尼器发生较小的水平位移时,钢板处于弹性工作状态,为结构提供足够的刚度当发生较大的水平位移时,部分材料进入非弹性状态并耗散地震能量,钢板被拉直,并限制结构的水平变位,从而对结构的变形起“软锁”作用,这对耗能减震结构的安全起到了一定的保护作用。型阻尼器的侧向和竖向变形如图、图所示,这两种变形情况同样也能发挥弹性、耗能和“软锁’’的作用。图型阻尼器侧向变形示意图第章隔震设备研究状况图型阻尼器竖向变形示意图由于型阻尼器在较大水平位移时,只是部分进入非弹性状态,而有另一部分仍处于弹性状态,故仍具备一定的“复位”能力,保证结构在地震中和地震后能迅速复位,这对工程结构也是很有意义的。型阻尼器可以是单片也可以多片形式组成耗能装置,可以将型钢板布置在一个方向,也可以布置在多个方向,使之对结构无论在水平方向还是垂直方向的变形都具有耗能减震效果。型阻尼器的研究已经有一段历史,以下几点是对以往研究的成果加以总结:试件的限位、消能性能型阻尼器工作时主要为弯曲变形,其抗弯刚度很小。当截面达到塑性时,其弹性位移与极限位移相比仍然很小,为分析方便近似取受力最大截面出现塑性铰线时的荷载和变形为初始荷载和初始变形,相应的割线刚度为初始刚度,并近似以此作为型带片的弹性限位及复位的主要控制指标。根据振动台试验及动力分析结果,只要合理选用型阻尼器可保证结构物在八度设防烈度以下达到自动复位的目的。型阻尼器的滞回曲线呈梭形,曲线丰满而对称。试件的强度、刚度、耗能性能随试件的参数变化而有所变化。若弯曲半径的增加而板厚适中,曲线最为丰满,延性系数大,耗能性能好。板宽及外伸长度增加,曲线变化不显著。但变形值随带片外伸长度的增加而增加。不同因素对限位、消能性能的影响研究表明,弯曲半径及板厚对试件的屈服荷载及弹性刚度均有较大的影响,第章隔震设备研究状况特别是弯曲半径的影响最大。当半径增大,尸,降低左右,但,要降低之多。这说明作为一种理想的限位、复位装置,要使弹性刚度变小,而不过分降低限位力,则采用增大型阻尼器的弯曲半径最为有效。同时,板厚的增加对,、及耗能性能的影响也十分重要。研究表明,板宽及外伸长度对型阻尼器的性能影响比较小,板宽与初始刚度成正比,当板宽增加,屈服荷载仅提高。外伸长度提高倍,屈服强度提高~,初始刚度提高~。但试验及理论分析表明,在弯曲压应力作用下板的塑性失稳与板的宽厚比有关。为了防止横截面发生凹曲破坏,应保证宽厚比小于为宜。外伸长度与卷曲后的位移值有关,为了满足实际工程需要,外伸长度不宜过长。试验证明,其长度取~倍弯曲半径最佳。软钢型带片的强度、刚度计算型阻尼器在结构物上设置时仅考虑沿建筑物二个主轴方向布置。通过理论分析并结合试验结果,对适用于板厚~型软钢阻尼器带片的建议公式如下:当口时建议采用双线型骨架曲线,其强度、刚度计算公式如、、所示:出现卷曲时承载力。舯去卷曲变形前的初始刚度’考卷曲变形后的刚度局届式中:、、型阻尼器的弯曲卜径、宽度和厚度:厂软钢的计算强度瓯安理想弹塑性材料当截面出现塑性铰时的计算变形值第章隔震设备研究状况、屈与板厚有关的调整系数,当~时,喁,屈当时根据试验结果统计分析,建议其强度、刚度计算公式、、为:出现扭曲时承载力口弹性刚度:弹塑性刚度砭屈。式中:口、屈、均需试验结果统计得出。第章组合盆式橡胶支座性能分析第章组合盆式橡胶支座性能分析组合盆式橡胶支座改型的基础目前盆式橡胶支座在工程中应用的主要方面还是在于桥梁,但随着建筑基础隔震的发展,盆式橡胶支座的应用范围也随之扩大。由于盆式橡胶支座具有低摩擦系数的滑动面,可以用来避免由各种外力作用下的结构水平位移,如温度变化引起的结构变形、风荷载作用下的结构变形。在沈阳博览中心室内足球场的屋盖设计中,为了减少屋盖对支撑结构的水平推力,工程采用了盆式橡胶支座。支座上盆盖与边桁架的底板焊接,下盆盖与支撑牛腿面钢板焊接,其工作原理是:上盆底面的不锈钢与中间钢板顶面的四氟板之间摩擦系数很小,在屋盖水平力作用下,上、下盆之间可以产生相对滑动,屋盖传给支撑结构的水平力仅仅是摩擦力而已,比普通支座产生的水平力要小得多。设置在下盆内的氯丁橡胶块在竖向力作用下处于三向受力状态,橡胶具有类似于流体的性质,使得上、下盆之间可以产生相对转动,以满足屋盖变形时引起的节点转动要求。盆式橡胶支座的隔震性能属于滑移隔震系统,该系统通常由滑移支撑元件和限位消能元件组成,通过相对滑移运动和摩擦耗能而有效地限制地震能量向上传递和向下部反馈。上部结构的全部重量由低摩擦的滑移支承元件承担,限位装置只提供水平恢复力,在某些情况下还可附加能量耗散装置。这种隔震系统的主要优点是隔震效果受地面频率特性的影响较小几乎不会发生共振现象。这种隔震方式一般分成两个部分,其一是一个摩擦面,其是一个耗能装置引。在建筑物的底部将结构和地基分离开来,设置一个摩擦面,并在结构和地基之间再添加若干个阻尼器。例如:大阪办公楼,该楼采用了直线式滑动支座、铅芯橡胶支座和多功能阻尼器协同工作的杂交基础隔震体系。国内对于这样的隔震方式研究也比较多,西安建筑科技大学的建筑工程系结合国内目前较普遍的多层砖混建筑形式,开发了一种在钢筋混凝土地板以下的条形基础上设置的水平摩擦层和一系列软钢钢棒制做的阻尼器,地板架空于摩擦层之上,与地面完全脱离,整体钢筋混凝土地板有利于加强房屋的刚度和传递水平力,第章组合贫式橡胶支座性能分析滑动隔震装置及限位装置示意于图:上部结构底板及基础上圈型阻尼器图滑移隔震装置当隔震房屋遭遇中等强度以上的地震时,隔震机构自动进入工作状态,上部结构作为一个整体沿隔震层产生往复滑移,结构以刚体平移振动为主要特征也包含低水平的晃动,可将结构的地震反应控制在较低水平。结合以上的情况,考虑将盆式橡胶支座改型成为既能隔震又能耗能的一种新型装置。从理论上分析,盆式支座是有条件符合基础隔震要求的。首先,作为隔震器而言,由于盆式橡胶支座具有较大的竖向承载能力,可以满足大荷载小构件的要求。同时通过钢瓮内橡胶流体性质还可以满足一定角度的转动。另一方面由于不锈钢板和聚四氟乙烯板的低摩擦系数,可以达到地震时水平位移的要求。当然目前在桥梁中的盆式橡胶支座主要考虑了满足小位移滑动的要求,而忽略了阻尼耗能方面,也就是在桥梁中主要用其来处理温度变形和使用中外力引起的水平荷载所带来的位移。虽然目前桥梁中也出现了抗震型盆式橡胶支座,也只是在原支座旁设置~些阻尼,用来吸收地震能量。但由于支座本身设置的水平位移比较小,无法满足地震过程中大位移的作用,这将导致支座移动过程中不断发生碰撞,使地震能量不能很好地被支座本身消除,并且这样支座的力一位移曲线性能不协调,从使用和设计方面很难与铅芯橡胶支座相媲美。若想将彷式橡胶支座应用于基础隔震,首先需考虑将支座的水平位移扩大,用来满足隔震层大位移要求,并能满足阻尼器大塑性变形的要求。对于一般的瓮式橡胶支座,运动过程中也有一定的耗能作用,也就是滑动面之间的摩擦耗能,该耗能曲线呈现矩形如图所示:第章组合盆式橡胶支座性能分析卜’图摩擦耗能恢复力模型但由于摩擦面的摩擦系数比较小,力与位移所包围的面积比较窄,在实际工程中,这样的耗能是不够理想的,其值的大小不能满足地震时的需要。并且该支座没有恢复力,在一次地震过后将会有很大的残余位移,因此需另外添加额外的阻尼器,与篙式橡胶支座合为一个整体,一方面作为耗能的装置,另一方面为能提供恢复力,在地震过后能使建筑物回到原先的状态。阻尼器的选择比较适合采用弹塑性阻尼器。该阻尼器是利用软钢或铅等材料的塑性变形吸能,可以设计成比较简单的结构便能得到必要的阻尼力和恢复力。通过改变阻尼器形状可以容易地改变阻尼性能,设计自由度较大。对于盆式橡胶支座由于其构件本身高度比较低,一般的阻尼器很难达到低高度、大位移的要求。而型阻尼器则可以做成较低的竖向高度,并且满足在大水平位移时仍保持较低的应变值。综上所述,为了能适应大承重结构隔震的需要,本文提出了一种既能承受大竖向力又可满足大水平位移要求的支座,即将盆式橡胶支座与型阻尼器结合起来,作为一个整体构件,运用到隔震技术中。现以一个能承受竖向力的支座为例,设计一个新型组合盆式橡胶支座,支座的结构如图、图、图所示,其中的阻尼器大小、数量及瓮式橡胶支座的大小可随实际工程需要而改动,本例中采用了四个阻尼器。第章组合锰式橡胶支座性能分析一‖‖,,:、一可可』“。”。。”’:一图支座装置图支座平面图组合盆式橡胶支座构造分析该支座应力情况时,可将阻尼器与支座分开考虑,因为两者工作时,除了连接处需另外考虑,其他各处在工作过程中,两者都比较独立。阻尼器分析本组合盆式橡胶支座的阻尼器尺寸如图所示:第章组合盆式橡胶支座性能分析,、,‘二二二二二,,‖二二‰’一一。一图阻尼器尺寸图在地震作用下,隔震层会产生多次往复运动,因此对材料的塑性和抗疲劳性能要求比较严格,为符合消能减震的要求,材料还要求具有低屈服强度和较大的极限应变。因此本软钢采用了钢,该钢材是含碳量较低的优质碳素结构钢,具有适当的强度、较好的塑性及良好的焊接性能【。该材料的物理性能参数有:弹性模量屈服强度极限强度为验证该阻尼器在大变形情况下能较安全工作,首先应保证在产生最大位移时,最大应力值需小于材料的极限强度。设计最大位移为,分析软件为较常用的,分析时采用实体建模的方法。阻尼器在大变形的过程中,材料会出现塑性过程。在中,分析此类情况属于非线性分析,并且该过程会出现几何非线性和材料非线性两种情况的叠加。其中,几何非线性指的是大应变分析,即大应变效应,当一个单元的节点经历位移后,那个单元对总体结构刚度的贡献会以两种方式改变。首先如果这个单元的形状改变,它的单元刚度将改变,如图所示其次,如果这个单元的取向改变,它的局部刚度转化到全局部件的变化也将改变如图所示。图大应变能影响局部单元刚度第章组合盆式橡胶支座性能分析一二二要:图大转动能影响单元刚度对总体刚度的贡献而材料非线性是指非线性的应力一应变关系,对于大多数的工程材料来说,当其应力低于比例极限时,应力一应变关系是线性的,当应力值高于屈服极限后,其应力一应变关系则是非线性的。在中分析塑性情况一般遵循三个准则:屈服准则、流动准则和强化准则。屈服准则是一个可以用来与单轴测试屈服应力相比较的应力状态的标量表示。只要知道了应力状态和屈服准则,程序就能确定是否有塑性应变产生,一个通用的屈服准则是准则,当等效应力超过材料的屈服应力时,将会发生塑性变形。该准则是一种除了土壤和脆性材料外很广泛使用的屈服准则,较适用于钢材。流动准则描述了发生屈服时塑性应变的方向,也就是说,流动准则定义了单个塑性应变分量解占夕,占‖等随着屈服是怎样发展的。强化准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。一般来说,屈服面的变化是前应变历史的函数。在程序中,有两种强化准则【。等向强化指屈服面以材料中所作塑性功的大小为基础在尺寸上扩张。对屈服准则来说,屈服面在所有方向均匀扩张。如图所示:由于等向强化原则,材料在受压方向的屈服应力等于受拉过程中所达到的最高应力。第章组合盆式橡胶支座性能分析服面图等向强化时的屈服面变化图随动强化随动强化是指假定屈服面的大小保持不变而仅在屈服的方向上移动,当某个方向的屈服应力升高时,其相反方向的屈服应力应该降低。如图所示,在随动强化中,由于拉伸方向屈服应力的增加导致压缩方向屈服应力的降低所以在对应的两个屈服应力之间总存在一个。的差值,初始各向同性的材料在屈服后将不再是各向同性的。图随动强化时的屈服面变化图根据软钢材料性能,采用了经典双线性等向强化。即使用一个双线性曲线来表示应力一应变曲线,包含两个斜率:弹性斜率和塑性斜率。采用的屈服准则是准则,即当等效应力超过材料的屈服应力时,将会发生瓣自橡脞土座能分析掣阡变形。于准则的使用,所以包肯有鲍辛杵散心。分析尼器的过程对以下几点做以调整,以保证能让结果收敛”通过馓滔人变形效应,:划分足够细的例格:逐步加域,:带要以足够小的增量施加载荷以确倮分析紧紧地跟随结构地域倚应胁线理地使用平衡迭代,即允计程序使【足够多的’,衡迭代次数:扣『动时川步使利序能不启二分法。这个特性通常能够从由于采州一个人时川步导数的收敛失败恢复:。选【为程序选择驯。,橄收嫂训算。一采川币儿为,材料性能为:屈服强度,弹肚斜率卜~,塑性斜率、。组德式橡儿交盘庠叶软钢阻尼器在工作时运动方向具竹多向山像【】‘分析的准确肚和简单化,现只考虑两个最不利的力向即:水平办向和垂直向的运动。训算中秉了控制位移的方法柬研究阻尼描的性能,设计巾定其最大水、位移为。先奄着其住最大水平位移时的戍力与应变。软铡在广。所牛水、向位移的情况,其成力和应叟情况如同、图幽产生最人水平,向他移时的应力幽々“忡自析乍疽人水平向位移时的麻变,阴个引【知最大的应力为‘小十利料的极限应力,远人村料的弹蔓变满址使过稃巾的强度婴求。最人的应变为×,可以保证软钢在工作过程中有很大段是属:塑性变形阶段而陔值小利料的极限府变,保证材料变形要求。、丹小软州存垂直向产位移时,府力和心变情况如削:幽产生最人年直方向位移时的应力幽々武墩蚓』。生最人承直方向他移日的席变削山上图可知,最大的应力为昂人应变为,蹦转均满足材利的灶芟和变形要求。型阻己器在变形过程中,应力应变集中于崮定端。在应力中,蚊大的威力邢分都是吐存阻尼器的端部,因此在制作阻佗器时需注意端都连接,存端剐响个截曲过渡区。四定的方法可采片高强螺栓,使其在多次往复运动都小会现破坏。“叭尼器的耗能情兄可以通过分析所得的力与位移所也幽『线嘶犯米,衡:链。乖运动晴兄,垂直力与乖直位穆之训的滞回曲线如图第章组合盆式橡胶支座性能分析:图垂直运动情况下滞回曲线水平运动情况下,水平力与水平位移之间的滞回曲线如图所示:唧图水平运动情况下滞回曲线第章组合盆式橡胶支座件能分析由两个方向运动情况可以看出型阻尼器耗能情况比较理想,滞回曲线比较丰满、对称。盆式橡胶支座分析对于盆式橡胶支座已经在桥梁中应用多年了,研究上也是比较成熟,模型中各个构件所定的尺寸、大小需符合研究的要求即符合绪论中所述。下支座板的计算、下支座板的尺寸如图所示:照廿盟舻旦:二:二尘一引叫寸斗商吐一图‘支座板尺寸下支座板的作用是将荷载传给墩台,并固定支座的位置。下支座板顶面要求十分光滑,与聚四氟乙烯滑板起对滑作用。为了防止下支座板顶面锈蚀,本支座顶面采用了镶嵌不锈钢板的方法。支座材料选用铸钢,该钢材有一定的强度和较好的塑性、韧性,焊接性能良好,适用于各种机械零件如:轴承盖、外壳、底板、阀体、犁柱等。铸钢的物理特性:弹性模量:泊松比:屈服强度:为了直接的反映支座的受力情况,采用了静力分析支座的情况。在中建模分析,支座底面与墩台连接采用预埋螺栓,位置在盆环边沿。分析时的边界条件设为:约束底面节点竖向位移,盆环边沿节点全部固结。单元采用了,由于考虑其变形不是很大,分析过程不会出现非线性的情况,因抑十纽台止橡此材利属陛定义为线性,牡个分析过程采川静力分析。’一涉及的儿个参数七:~掸性模量:泊松比:史座板的受力模型血图所示:幽’支库扳受力楼刑:静力分析厢所得结粜如图:、支庠扳应力蜮大等效应力为,小于屈服应力~。具有较大的宣个储备系数。,囚活动支座螺柃所承卜阵钢混凝土摩擦系数约超过受水平力小是很大,构造上采用地脚螺栓连接即可。第章组合盆式橡胶支座性能分析若支座设计的地震水平力较大,可根据剪切系数值来决定是否要用地脚螺栓或其他形式的连接。剪切系数可按下式确定::盟式中:在恒载与活载作用下的最小反力丁支座在地震中承受的纵向水平力安全系数,一般取以上厂枷材与混凝土之间的摩阻系数。上支座板的计算上支座板的作用是将结构的竖向荷载传递给支座,限制橡胶块的侧向变形并和中间支座板一起使橡胶块处于三向受压状态,从而提高橡胶块的承载能力。上支座板尺寸如图所示:’。一一图上支库板尺寸图上支座板类似一个顶板有支承的高压容器,在圆筒与顶板连接处,由于截面突变,应力集中可能比较严重,若不采取措施,将会产生裂纹,导致瓮环破坏橡胶溢出。因此在设计时应改变上支座板的几何形状在断面突变处设置圆弧过渡。本支座中设置的圆弧半径为。上支座板所采用的材料与下支座板相同,即选用铸钢,分析上支座板的方法同分析下支座板一样,只是在盆环边缘还存在橡胶的压应力。对于该类々舟盐。橡歧土如性能析口研究已经比较完善,在小论文中仍聚川分析玖构什的,曼儿’咖构件所水:情况,其馥构什的受力情况利所受约束如图幽上支鹰扳模口削纤静力计算后,得出心力状况如图所示蚓支序扳脚力幽最人等效应力为小于材丰的朋服应力值,并具有较大的安全储籍系数。聚四氟乙烯板的计算”。聚四氟乙烯采用单块的大恻板,材料采川纯聚叫氟乙烯。它的应力验算为:第章组合盆式橡胶支座性能分析仃一仃。仃里筹【仃】刀矽式中:最大支座反力彳聚四氟乙烯板面积矽聚四氟乙烯板直径【仃】中间支座板上聚四氟乙烯板容许压应力,通常取【盯】计算得出:,可以使小于【仃仃眚等黔用。不锈钢板的计算不锈钢板的计算方法同聚四氟乙烯,不过不锈钢材料的许用压应力比聚四氟乙烯材料大得多,应此只需根据构造要求。不锈钢板的材料为表面应符合级的加工要求,表面硬度应为一,板厚为。中间钢板的计算对中间钢板而言,其所受弯矩最大值位于圆盘的中心线,则中截面弯矩可按公式求解:丢××瓦。一式中:最大支座反力承压橡胶块直径矽聚四氟乙烯板直径。由式得出的弯矩值,求解中截面上下缘应力值。盯:了×【吒】,第章组合盆式橡胶支座性能分析式中:,中截面惯性矩】,截面重心至上、下缘的距离【卜钥材容许弯曲应力。计算得出:吉××委一小于钢材的容仃:丝×::兰掣一×:,:兰::×许弯曲应力。橡胶板的计算承压橡胶块在底盆中处于三向受力,其状态近似液体受压,其承载力大为提高。求解其中橡胶应力,可根据公式计算:仃一气仃仃墨式中:最大支座反力么承压橡胶块面积承压橡胶块直径【仃】钢盆内橡胶容许压应力,通常取仃】。小于橡胶的容许压应计算得出:盯蠹罢罢笋惫力。组合盆式橡胶支座动力参数分析【第章组合盆式橡胶支座性能分析支座在应用于实际工程之前需了解其本身的动力性能参数,对于组合盆式橡胶支座需了解其水平剪切刚度,屈服强度等。为准确研究支座的性能,最理想的方式是建立整体结构模型,模拟在反复水平力作用下,支座位移和力的情况,分析仍采用软件。支座中阻尼器变形比较大,所用的单元同上面分析阻尼器一样为。分析中不考虑橡胶转动,因此用实体底座模拟下支座。摩擦面的大小和形状对摩擦无影响,为划分规则的网格,可使用方形。上盆盖与下盆盖之问属于摩擦作用,在中具有专门模拟摩擦的单元。本次计算中对应摩擦类型,属于面一面摩擦,支持刚体一柔体的面一面的接触单元,刚性面被当作目标面,分别用和来模拟一和一的目标面,柔性体的表面被当作接触面,可用、、、来模拟。此次计算为一模型,目标面采用了,接触面采用了。一个目标单元和一个接触单元叫作一个“接触对”,程序通过一个共享的实常号来识别“接触对”,为了建立一个“接触对”给目标单元和接触单元指定相同的实常号【。执行一个典型的面一面接触分析的基本步骤列示如下:建立模型,并划分网格识别接触对定义刚性目标面定义柔性接触面设置单元关键字和实常号定义控制刚性目标面的运动给定必须的边界条件定义求解选项和载荷步求解接触问题查看结果接触分析在中属于高度非线性,在计算过程中经常会出现结果不收敛的情况,要完成一个接触分析需定义一组合理的接触单元实常数和关键字等。以下对中分析摩擦的几个主要选项加以说明:选择接触算法对面一面的接触单元,程序可以使用扩增的拉格朗日算法或罚函数方法,通过使用单元关键字来指定。扩张的拉格朗日算法是为了找到精确第章组合盆式橡胶支座性能分析的拉格朗同乘子而对罚函数修正项进行反复迭代,与罚函数的方法相比,拉格朗日方法不易引起病态条件,对接触刚度的灵敏度较小。本次中采用的就是此法。使用拉格朗日算法的同时应使用实常数,为拉格朗同算法指定容许的最大渗透,如果程序发现渗透大于此值时,即使不平衡力和位移增量已经满足了收敛准则,总的求解仍被当作不收敛处理。在使用中可改变该值,以达到结果收敛,但是此值太小可能会造成太多的迭代次数或者不收敛。此次计算采用的接触算法为扩增拉格朗尔法,设定为默认值,。决定接触刚度所有的接触问题都需要定义接触刚度,两个表面之间渗透量的大小取决了接触刚度,过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态,而造成收敛困难,一般来说,应该选取足够大的接触刚度以保证接触渗透小到可以接受,但同时又应该让接触刚度足够小以致不会引起总刚矩阵的病态问题,保证收敛性。程序会根据变形体单元的材料特性来估计一个缺省的接触刚度值,此次计算即采用该值,。选择摩擦类型在基本的库仑摩擦模型中,两个接触面在开始相互滑动之前,在它们的界面上会有达到某一大小的剪应力产生,这种状态则作粘合状态库仑摩擦模型定义了一个等效剪应力一旦剪应力超过此值后,两个表面之间将开始相互滑动,这种状态叫作滑动状态。粘合或滑动计算,决定什么时候一个点从粘合状态到滑动状态或从滑动状态变到粘合状态,摩擦系数可以是任一非负值。则在本次计算中,设置的实常数如下:,也定义目标单元几何形状,定义法向接触刚度因子定义最大的渗透范围定义初始靠近因子一定义“”区域、定义初始渗透的容许范围,指定最大的接触摩擦一个目标面可能由两个或多个面断的区域组成,你应该尽可能地通过定义

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