大跨空间结构三维橡胶支座隔震设计研究范文.doc
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1、大跨空间结构三维橡胶支座隔震设计研究202020年4月19日文档仅供参考东南大学-海达股份隔震技术联合研发中心计划项目申报书项目领域: 大跨空间结构隔震项目名称: 大跨空间结构三维橡胶支座隔震设计研究项目申请人:冯若强联系电话: 83790910邮件地址: 申请院系:土木工程学院建筑工程系申报日期: .5.6东南大学-海达股份隔震技术联合研发中心二一三年制一、项目立项的意义及必要性随着社会整体发展,建筑科学技术水平的不断进步以及人类生活的改进,规模宏大、形式新颖、技术先进的大跨空间结构在世界各国应运而生,结构形式向高、轻、大这三个方向发展。空间结构具有空间跨度大,结构整体刚度大,结构受力合理,
2、耗材少、重量轻等优点,致使大跨空间结构体系具有广阔的应用前景。随着中国国力的不断增强,将需要建造更多更大的大空间建筑物。大跨度结构往往是人群集合和配置重要设施的场所,如何在设计和建造阶段就使它们具有足够的抗震能力和合理的安全度一直备受关注。隔震技术由于能够全面改进结构的抗震防灾性能和正常使用功能,因此受到各国科研人员的青睐,因而大跨结构的隔震已经成为当今结构隔震控制理论和应用研究的一个重要方向。隔震结构的本质就是使结构或结构部件与可能引起的地面运动或支座隔离开来,在许多的应用中,隔震装置是安装在支座位置或基础位置。放在基础位置,称为基础隔震,放在支座部位,称为支座隔震,如图1所示。隔震结构的基
3、本目的,就是要大大减小传到结构上的地震作用和能量。可是,地震荷载作用下,大跨空间结构具有较为复杂的动力特性,其振型表现为水平或竖直方向的运动,同时也可能是水平和竖直方向运动的耦合。当前对于大跨空间结构研究主要集中在水平隔震方面,而对大跨空间结构竖向隔震研究并不多。应用最为广泛的普通叠层橡胶支座(板式橡胶支座和盆式橡胶支座)暴露出诸多缺点:首先,它竖向刚度很大,对竖向地震作用几乎没有隔震效果;其次,它水平刚度很小,在减震的同时放大了上部结构的水平位移,而橡胶本身回复力差,导致在大变形下很难回复到原位。而抗拔球形钢支座,耗能能力不足。因此采用三维隔震支座是十分必要的。 (a)支座隔震 (a)基础隔
4、震 图1 大跨结构隔震方案适用于大跨空间结构三维复合隔震的支座必须满足以下要求:能水平与竖向隔震隔震;良好的耗能能力;震后自复位功能;耐候、耐久性强;具有足够的抗拔与转动能力。另外,支座的高度不宜太大,否则在隔震支座处会出现较大的附加弯矩,不利于支座的稳定。当前正在研究中的三维隔震支座有形状记忆合金-橡胶复合支座、形状记忆合金-橡胶-碟形弹簧复合支座、碟形弹簧一橡胶隔震支座、摩擦弹簧三维复合隔震支座,摩擦摆碟形弹簧支座。这些三维隔震支座各有优缺点和适用范围,需要根据大跨空间结构自身特点,从中选择较为适合的隔震支座类型。形状记忆合金-橡胶复合支座包括形状记忆合金和橡胶两个部分,橡胶支座有一定的减
5、震作用,可是由于其为高分子化合物,老化较快,刚度小,变形大,造成安全隐患,无法调节结构内力。大跨结构跨度大,支座多,因此其应用受到限制。形状记忆合金的越弹性恢复力特性解决了上述问题。利用形状记忆合金的超弹性恢复力特性,在地震作用下,经过橡胶剪切变形,形状记忆合金丝的超弹变形,耗散大量地震能量,使上部结构地震反应减小。由于形状记忆合金丝的纯马氏体弹性模量为20-30GPa,故其有极大的极限应变刚度,从而能够防止隔震层位移过大而导致支座失稳。形状记忆合金-橡胶-碟形弹簧复合支座采用叠层橡胶支座、形状记忆合金绞线和碟形弹簧复合而成,即在SMA一叠层橡胶支座的基础上,上部串联碟形弹簧而成。支座下部采用
6、两组交叉的形状记忆合金(SMA)绞线,绕过固定于对面钢板上的滑轮并同定于钢板一侧的两个边缘,只要叠层橡胶支座的上下两个钢板发生水平相时位移,SMA绞线就会随着支座的变形而产生形变,从而提供回复力和阻尼。支座上部的竖向隔震装置由四片碟形弹簧两两对合组合串联在一起,然后在中心设置导向筒,由导向筒来限制碟形弹簧的水平位移,使它几乎只能发生竖向位移。在外部布置刚性外壳既能起到保护内部碟形弹簧的作用,叉便于上部结构的安装与连接。经过碟簧片数和型号的不同来变刚度,进而调节支座竖向刚度,达到很好的璧向隔震效果。碟形弹簧一橡胶隔震支座采用叠层橡胶支座和碟形弹簧复合而成,其能够抵抗水平地震作用,又可减轻竖向地震
7、反应,具有三维隔震的效果。下部隔震支座结构在地震作用下,经过水平变形避开地震的卓越周期,上部的碟形弹簧是一种南钢板冲压成碟形的薄板弹簧,与其它类型的弹簧相比,它的轴向尺寸较小,径向尺寸较大,呈扁平型,具有体积小、承载能力大、缓冲和减震能力强的优点,采用不同的组合方式(叠合或对合)能够得到不同的负荷及变形特性,适合于轴向空间紧凑、横向空间较宽而负荷较大的场合。将碟形弹簧应用在结构隔震领域,能够经过调整碟形弹簧的规格和组合方式来获得所需的刚度,即保证能承受上部结构的自重同时在竖向隔震方面起到良好效果。摩擦弹簧三维复合隔震支座水平隔震拟采用滑移隔震,竖向隔震采用竖向弹簧,弹簧设置导向装置。普通摩擦隔
8、震器的优点是受地面运动频率特性的影响很小,不会发生共振现象,缺点是结构的滑移量随地震强度的增加而增大。静、动摩擦系数之差对隔震性能影响较大,由于动摩擦系数比静摩擦系数小,滑动一旦开始,速度不断增加,当摩擦阻力减小较大时,就会出现类似于负刚度现象,这不但会造成滑移量大,有时甚至可能出现滑移失稳。因此,需匹配合适的限位复位机构。采用普通摩擦滑移隔震器,其限位、复位与抗滑移失稳经过并联辅助装置实现。由予普通摩擦滑移隔震器具有动摩擦系数比静摩擦系数小和可能出现滑移失稳的缺陷,为解决可能由动摩擦系数比静摩擦系数小带来的在结构振动时水平刚度的衰减,将采用并联水平弹簧来解决上述问题,并保证支座的震后复位。竖
9、向隔震采用的弹簧有两种备选方案:柱状螺旋弹簧和具有粘滞阻尼的碟形弹簧。前者具有加工方便和经济性好的特点,但所能提供的阻尼有限;碟形弹簧能克服普通阻尼不足的缺陷,但构造相对复杂,价格稍高。为了克服竖向隔震装置与水平隔震装制在水平方向的刚度耦合,考虑在竖向弹簧外侧设置导向装置。当支座竖向采用弹簧后,由于弹簧具有压缩性,当支座中布置多组弹簧时,其转动能力也得到了相应的保证。摩擦摆碟形弹簧支座是指水平隔震选用摩擦摆隔震器,竖向隔震采用竖向碟形弹簧隔震器。摩擦摆隔震器在一定程度上能够克服普通摩擦滑动支座的缺点。摩擦摆是具有弧形滑动面的滑移隔震器,依靠重力复位。其中滑道半径为r,滑道面上涂有摩擦材料,如聚
10、四氟乙烯等;滑块中有一关节,其下底面半径也为r,以便与滑道完全贴合,该关节使滑块的底面在其沿滑道滑动时水平。根据需要,滑块下底面也可涂摩擦材料,它一般与滑道上涂的摩擦材料相同。当上部结构自振周期较短时,隔震结构的周期可延长较大。但过大的摩擦摆将使支座的高度增加,不利于支座的稳定,因此需要限制摩擦摆的大小。当前,大跨度空间结构实际工程中采用较多的主要是水平隔震支座,如在上海国际赛车场新闻中心屋盖结构的高位隔震中就采用了由盆式支座和普通橡胶支座组合而成的复合隔震支座来实现隔震。江苏省宿迁市文体综合馆采用的是基础隔震设计,该工程位于中国地震高烈度区,结构体系包括钢筋混凝土空间框架和钢网壳屋盖,结构基
11、础隔震层由橡胶隔震支座和粘滞阻尼器组成。日本Kyoto水上娱乐中心,采用的也是橡胶支座隔震,分析表明隔震结构的动力特性得到了显著改进,结构特征周期也由0.88s延长到1297s。大跨空间结构的三维复合隔震当前还处于初始阶段,主要停留在研究阶段,工程应用较少。本项目的研究目的是深入分析各种三维隔震支座构造和功能上,建立各种隔震支座的数值模型,采用该数值模型,针对不同大跨空间结构形式,进行大跨空间结构三维地震反应分析。选择适用于不同大跨空间结构形式的三维隔震支座,为实际大跨空间结构工程隔震设计提供建议。二、研究内容、目标和拟解决的关键问题1、具体研究开发内容、目标和要重点解决的关键技术问题或开发的
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