串联隔震体系屈曲后屈曲及大变形力学行为

论文摘要

在已有的建筑结构控制技术中,基础隔震技术在最近的几次地震中被证明是一种减轻地震灾害有效的方法。在实际工程中大多数隔震结构采取了由地下室悬臂柱和叠层橡胶隔震支座组成串联隔震体系的隔震方案,维持叠层橡胶支座的稳定性是确保隔震支座实现其隔震功能的重要环节。由于悬臂柱柱身变形及串联系统的二阶效应对隔震支座的承载力和复位性能会产生一定的不利影响,有关悬臂柱与橡胶隔震支座串联系统的安全性问题,成为工程设计和研究人员目前关注的焦点之一。本文针对这一问题,系统研究了串联隔震体系的屈曲、后屈曲和大变形等力学行为。主要内容包括以下几个方面:(1)针对串联隔震系统的稳定性问题,建立临界荷载的控制方程,探讨参数变化对临界荷载的影响。首先建立单个叠层橡胶支座稳定性分析的场矩阵;其次根据传递矩阵法建立了串联隔震系统稳定性分析的场矩阵,并根据所得的场矩阵建立了其临界荷载的控制方程,避免了繁琐的力学推导过程;最后计算了两种不同型号的串联隔震系统的稳定性,着重探讨了叠层橡胶支座和地下室柱参数变化对串联隔震系统临界荷载的影响。(2)针对串联隔震系统的水平刚度问题,建立水平刚度计算公式,探讨了压应力对水平刚度及结构地震响应的影响。首先建立了单个叠层橡胶支座的场矩阵;其次根据传递矩阵法建立了串联隔震系统的场矩阵,推导出串联隔震系统的水平刚度计算公式;最后探讨了压应力对水平刚度及结构地震响应的影响。(3)为了解决带连梁串联隔震系统的稳定性问题,建立了基于传递矩阵法的临界荷载求解公式。首先建立稳定性分析单个支座的场矩阵和连梁等效成抗弯弹簧的点矩阵;其次根据传递矩阵法建立串联隔震系统稳定性分析的特征矩阵,并根据所得特征矩阵建立其临界荷载的控制方程;最后通过计算两种不同型号的串联隔震系统的临界荷载和探讨连梁参数变化对串联隔震系统临界荷载的影响。(4)利用微分求积法计算分析了基于考虑剪切变形和不考虑剪切变形两种模型梁柱的大变形和后屈曲力学行为。首先以不考虑剪切变形及考虑轴线伸长的模型,建立了大挠度非线性几何方程,利用微分求积法求解了梁柱的后屈曲和大变形力学行为;其次以考虑剪切变形和轴线伸长的模型,建立了精确大挠度非线性几何方程,并利用微分求积法对比分析了基于两种不同模型梁柱的后屈曲和大变形行为。(5)探讨了叠层橡胶隔震支座和串联隔震体系的后屈曲和大变形力学行为。把叠层橡胶隔震等效成均质弹性体,考虑轴线伸长和剪切变形,建立了大挠度非线性几何控制方程,利用微分求积法求解叠层橡胶隔震支座的后屈曲和大变形力学行为;对串联隔震体系,建立考虑轴向伸长和剪切变形的大挠度非线性几何控制方程,因为串联隔震体系在连接位置材料和几何不连续,不能利用微分求积法求解,采用微分求积单元法把串联隔震体系分解为橡胶隔震支座和地下室悬臂柱两个单元,在连接位置考虑力的平衡和变形协调,把控制方程组装成整体微分求积格式,求解串联隔震体系后屈曲和大变形行为。所得结果与串联隔震体系拟静力试验进行比较,结果表明计算结果和试验结果规律吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 橡胶支座及串联体系稳定性现状及分析
• 1.3.1 橡胶支座及串联系统稳定性的国外研究概况
• 1.3.2 橡胶支座及串联系统稳定性的国内研究概况
• 1.4 后屈曲及大变形研究概述
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 本课题有关的基金项目
• 第2章 计算方法和橡胶隔震支座简介
• 2.1 引言
• 2.2 微分求积法
• 2.2.1 微分求积法基本原理
• 2.2.2 权系数的计算
• 2.2.3 节点的选取
• 2.3 微分求积单元法
• 2.4 隔震支座
• 2.4.1 隔震支座概述
• 2.4.2 叠层橡胶隔震支座计算参数
• 2.5 本章小结
• 第3章 串联隔震体系的弹性屈曲
• 3.1 引言
• 3.2 串联隔震体系的弹性屈曲
• 3.2.1 叠层橡胶隔震支座的传递矩阵
• 3.2.2 串联隔震体系的临界荷载控制方程
• 3.2.3 算例分析
• 3.2.4 结论
• 3.3 串联隔震体系的水平刚度及对结构地震响应影响
• 3.3.1 水平刚度计算公式
• 3.3.2 水平刚度参数分析
• 3.3.3 结构地震响应影响
• 3.3.4 结论
• 3.4 加连梁串联隔震系统的弹性屈曲
• 3.4.1 稳定性分析的点矩阵
• 3.4.2 临界荷载控制方程
• 3.4.3 算例分析
• 3.4.4 结论
• 3.5 本章小结
• 第4章 梁柱的后屈曲及大变形力学行为
• 4.1 引言
• 4.2 基于 Euler 梁理论的后屈曲及大变形
• 4.2.1 后屈曲分析
• 4.2.2 大变形分析
• 4.3 基于 Timoshenko 梁理论的后屈曲及大变形
• 4.3.1 控制方程
• 4.3.2 控制方程和边界条件的无量纲化
• 4.3.3 微分求积格式
• 4.3.4 算例分析
• 4.3.5 结论
• 4.4 本章小结
• 第5章 串联隔震体系的后屈曲及大变形力学行为
• 5.1 引言
• 5.2 叠层橡胶隔震支座后屈曲和大变形
• 5.2.1 叠层橡胶隔震支座的等效刚度
• 5.2.2 叠层橡胶隔震支座控制方程和边界条件
• 5.2.3 控制方程和边界条件的无量纲化
• 5.2.4 控制方程和边界条件微分求积格式
• 5.2.5 算例分析
• 5.2.6 结论
• 5.3 串联隔震体系后屈曲及大变形
• 5.3.1 串联隔震体系控制方程
• 5.3.2 控制方程和边界条件的无量纲化
• 5.3.3 控制方程和边界条件的微分求积格式
• 5.3.4 算例分析
• 5.3.5 结论
• 5.4 本章小结
• 第6章 串联隔震体系的拟静力试验
• 6.1 引言
• 6.2 串联隔震体系试件的制作
• 6.2.1 叠层橡胶隔震支座的设计与支座
• 6.2.2 悬臂柱的设计与制作
• 6.3 试验装置
• 6.4 加载制度
• 6.5 试验结果分析
• 6.5.1 串联隔震体系试件 RC1 和 RC2
• 6.5.2 串联隔震体系试件 RC3 和 RC4
• 6.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录 B 攻读学位期间参与的科研项目