中文名 | 金屬橡膠新型隔震支座隔震性能研究 | 項目類別 | 青年科學基金項目 |
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項目負責人 | 周艷國 | 依托單位 | 武漢大學 |
本項目將新型功能性結(jié)構(gòu)材料——金屬橡膠引入基礎隔震裝置中,對金屬橡膠材料在隔震減震技術方面的應用進行基礎性研究,研究開發(fā)一種具有混合隔震技術性能的新型隔震裝置以及對其隔震特性進行動力學特性建模。通過對金屬橡膠材料工藝成型特性影響因素研究,設計與選擇適合用于隔震裝置的金屬橡膠材料;通過進行金屬橡膠材料隔震裝置隔震性能試驗,驗證新型隔震裝置的隔震效果以及檢驗評價新型隔震支座的各項性能;通過對金屬橡膠材料隔震裝置非線性遲滯特性進行混合型數(shù)學建模及采用人工智能方法進行參數(shù)辨識,建立可反映金屬橡膠隔震裝置隔震性能的恢復力數(shù)學模型,通過在大型有限元軟件中對新型隔震支座本構(gòu)模型的二次開發(fā),為新型隔震支座在實際工程隔震結(jié)構(gòu)分析的應用提供研究基礎。本項目研究對于開發(fā)新型有效的隔震減震裝置,以及對改善傳統(tǒng)隔震支座的性能有重要的實際意義。
本項目將新型功能性結(jié)構(gòu)材料- - 金屬橡膠引入基礎隔震裝置中,對金屬橡膠材料在隔震減震技術方面的應用進行基礎性研究,研究開發(fā)一種具有混合隔震技術性能的新型隔震裝置以及對其隔震特性進行建模。通過對金屬橡膠材料工藝成型特性影響因素研究,設計與選擇適合用于隔震裝置的金屬橡膠材料;通過進行金屬橡膠材料隔震裝置隔震性能試驗,驗證新型隔震裝置的隔震效果以及檢驗評價新型隔震支座的各項性能;通過對金屬橡膠材料隔震裝置非線性遲滯特性進行混合型數(shù)學建模及采用人工智能方法進行參數(shù)辨識,建立可反映金屬橡膠隔震裝置隔震性能的恢復力數(shù)學模型,通過在大型有限元軟件中對新型隔震支座本構(gòu)模型的二次開發(fā),為新型隔震支座在實際工程隔震結(jié)構(gòu)分析的應用提供研究基礎。本項目研究對于開發(fā)新型有效的隔震減震裝置,以及對改善傳統(tǒng)隔震支座的性能有重要的實際意義。
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建筑隔震橡膠支座由多層橡膠和多層鋼板或其它材料交替疊置組合而成。對應不同建 筑、橋梁的要求隔震橡膠支座可以有不同的疊層結(jié)構(gòu)、 制造工藝和配方設計, 以滿足所需要 的垂直剛度、側(cè)向變形、阻尼、耐久性等性能要求,通過在建筑物的基底部或某個位置放置 隔振裝置,形成隔震層,把上部結(jié)構(gòu)與下部基礎脫離,以此來隔離或耗散地震能量,避免或 減少地震能量向上結(jié)構(gòu)傳輸, 有效地保障上部結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部人員、 設備的安全, 不影響室內(nèi) 設備的正常運轉(zhuǎn),比傳統(tǒng)的抗震技術更加安全、可靠、經(jīng)濟。 其工作原理是在建筑物底部與基礎之間設置隔離層, 使上部結(jié)構(gòu)與固結(jié)于地基中的基礎 分離,從而阻隔地震波向上部結(jié)構(gòu)進行傳播, 既能保護結(jié)構(gòu), 同時也可以保護結(jié)構(gòu)內(nèi)部設備, 儀器等。 基礎隔震技術的應用范圍很廣泛, 對于重要建筑和生命線工程來說, 通過采用隔震技術, 提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力,在地震災害發(fā)生時,可有效地發(fā)揮其“生命線”功效
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橡膠隔震支座在房屋隔震工程中的應用
鉛芯橡膠隔震支座 鉛芯隔震支座,這種支座是由橡膠支座安定的復原裝置和鉛的能量吸收裝置所構(gòu)成的阻尼機構(gòu)一體型的隔震裝置。鉛是一種具有良好塑性變形能力和能量吸收能力的金屬。鉛芯橡膠支座也是最早用于隔震結(jié)構(gòu)的支座之一。鉛芯橡膠支座憑借其優(yōu)良的力學性能,較為簡單的構(gòu)造和高性價比,已經(jīng)在工程中廣泛應用。
鉛芯橡膠隔震支座 鉛芯隔震支座基本性能
1、鉛阻尼器的能量吸收能力 橡膠本身是一種易拉壓變形的材料,單獨做成支座加力后變形巨大(如圖)。工程用橡膠支座是由薄鋼板與薄橡膠層疊組成,鋼板對橡膠豎向變形有優(yōu)秀的約束作用,豎向壓縮剛度非常高,但與天然橡膠支座一樣,鉛芯橡膠隔震支座拉伸剛度較低,約為壓縮剛度的1/7~1/10。
2、LBR支座的水平變形能力 鋼板約束橡膠的豎向變形但對其水平變形沒有影響。同時鉛芯能夠很好地追隨支座變形,吸收地震能量。鉛芯橡膠隔震支座水平性能穩(wěn)定,LRB支座由于鉛芯的存在,能夠限制支座的水平變形,如下圖所示,裝有LRB支座的隔震結(jié)構(gòu)的水平變形要比裝有RB支座的?。ú豢紤]外加阻尼作用下)。
3、LRB支座的工作特點 鉛芯橡膠隔震支座通過鉛芯的大小來調(diào)整阻尼的大小。鉛芯直徑增大后,屈服力變大,阻尼量增加,但中心孔過大也會給支座的性能帶來不良影響?! ?、鉛芯橡膠隔震支座的耐久性 日本等國家的工程調(diào)查表明,LRB支座與RB支座基本一致,隔震橡膠即使在使用100年后,其內(nèi)部橡膠依然完好。有調(diào)查顯示,LRB支座使用10年后,其特性基本保持不變,并預測出60年后其性能僅會下降3%。 5、鉛芯橡膠隔震支座的基本力學性能 鉛芯橡膠支座的滯回性能可用下圖的雙線型模型表示。其中細實線為橡膠支座的滯回特性。鉛芯橡膠隔震支座的水平特性是與圖示的橡膠部分與鉛芯部分水平性能疊加而成,如圖粗實線所示。鉛芯橡膠支座在剪切變形為250%能表現(xiàn)出穩(wěn)定的雙線型滯回特性
滑移隔震支座部件分為隔震支座(隔震器)和阻尼器兩大類,前者穩(wěn)定地支承建筑物自重和荷載,后者在地震時能抑制較大的變形,地震結(jié)束后起到迅速終止晃動的作用。
隔震支座目前尚未有統(tǒng)一的分類標準。按截面形狀分有方形(含正方形及長方形)和圓形兩大類。由于圓形橡膠支座具有各向同性的優(yōu)點,是目前應用的主要形式。
根據(jù)對橡膠支座阻尼比要求不同,目前國內(nèi)外的橡膠支座分為下列4種。
1.標準減隔震橡膠支座(M RB。普通疊層橡膠支座是用天然橡膠或氯丁橡膠制造的,通常把用天然橡膠制造的普通疊層橡膠支座又稱為天然橡膠疊層橡膠支座或標準疊層橡膠支座(見圖3)。這種支座具有高彈性,在水平方向上起彈簧作用,但阻尼性能較低,一般不單獨使用。為了滿足隔震結(jié)構(gòu)體系對阻尼值的要求,通常與外加阻尼器峭能裝量卜起并用。
2.鉛芯疊層橡膠支座(LRB。這種支座是在普通疊層橡膠支座中心嵌入鉛棒而成現(xiàn))。鉛棒單獨使用不容易吸收能量,而利用周圍疊層橡膠的約束力和鉛棒的屈服應力較低的特點,使橡膠支座在受力終止時具有可恢復特性,提高其吸能效果及確保有適度阻尼,而且鉛芯增加了橡膠支座的早期水平剛度,對控制風反應和抵抗地基微震動有利。鉛棒的直徑應根據(jù)設計的阻尼值要求,通過計算確定,其阻尼比一般可達20%一300 o,可以單獨在隔震系統(tǒng)中使用。
常規(guī)隔震技術存在適用頻率窄、限位難等問題,基于對電流變彈性體智能特性的理解,開發(fā)電流變彈性體智能隔震支座,并研究其力學模型及隔震性能。主要研究成果包括:(1)高性能電流變彈性體的制備及其性能研究?;跇O性分子型電流變理論,采用尿素極性分子對TiO2顆粒進行表面包覆,制備出TiO2/尿素核殼顆粒,試驗結(jié)果表明,填充TiO2/尿素顆粒的彈性體在0~3 kV/mm具有更高的儲能模量,且在較低的外加電場下(0~2 kV/mm)可以表現(xiàn)出更高的相對電流變效應;采用3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(A174)和乙烯基三乙氧基硅烷(VTEO)兩種硅烷偶聯(lián)劑對無定型態(tài)TiO2顆粒和硅橡膠的界面進行改性。由于兩相界面結(jié)合強度和改性顆粒極化強度的提高,TiO2/V1顆粒填充的彈性體具有較小的零場儲能模量和較高的外加場下儲能模量,其相對電流變效應達到了最高的315%。(2)結(jié)構(gòu)ERE 智能隔震支座力學模型及設計方法?;趯﹄娏髯儚椥泽w動態(tài)粘彈性性能的測試結(jié)果,建立電流變彈性體材料的修正Bouc-Wen本構(gòu)模型,且利用Matlab軟件仿真模擬進行模型參數(shù)識別,并分析本構(gòu)模型各個參數(shù)與電場強度的相關性。研究結(jié)果表明,修正Bouc-Wen本構(gòu)模型可以精確地描述電流變彈性體在各個工況下的力學性能;在此基礎上設計了ERE變剛度裝置,然后以ERE本構(gòu)模型為基礎,以力學、電場分析為手段,建立了ERE變剛度支座力學模型;繼而,通過試驗評價ERE變剛度智能隔震支座的性能,并驗證了ERE變剛度支座力學模型的準確性。(3)ERE 智能隔震支座結(jié)構(gòu)的控制算法及抗震性能試驗。在ERE變剛度支座力學模型的基礎上提出了智能隔震系統(tǒng)的設計方法及控制算法;制定了具體的ERE智能隔震系統(tǒng)設計方案并建立結(jié)構(gòu)仿真模型,通過Simulink仿真評估系統(tǒng)的智能隔震效果,同時利用ERE智能隔震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動臺試驗,驗證了系統(tǒng)的智能隔震效果。結(jié)果表明,按照ERE智能隔震系統(tǒng)設計方法設計出的智能隔震系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預期設計減震比。本研究為結(jié)構(gòu)變剛度智能隔震技術的實際工程應用奠定了基礎,也為電流變彈性體的應用開辟了新的方向。 2100433B