三维隔振装置及其在博物馆结构中的应用研究

摘要

近年来，地铁运输系统迅速发展，由于城市地铁均贯穿市中心，在负担城市运输任务的同时，也对沿线周围的住宅楼、办公楼、博物馆、古建筑产生影响。目前，隔震技术的发展已比较成熟，成为一种有效的减震手段，但隔震设计主要针对水平地震作用，对轨道交通引起的以竖向为主的结构振动并未起到有效的隔振作用。因此，兼具水平隔震和竖向隔振的三维隔振技术成为工程界探索和关注的焦点。
　　本文在对国内外相关研究内容进行调研的基础上，以既能隔离水平地震作用，又能减轻地铁运行诱发沿线建筑的竖向振动为目的，采用橡胶支座与碟形弹簧组串联的方式，构造了一种三维隔振装置，通过理论研究、数值模拟、应用实践对其可行性、实用性及有效性进行了深入研究。论文主要研究工作和成果如下:
　　(1)从结构动力学基本原理出发，分析了隔振装置的竖向隔振原理。通过合理、恰当的构造措施使橡胶支座与碟形弹簧组的刚度解耦，保证了三维隔振装置的有效性、安全性、稳定性，解决了隔振体系的摇摆问题，同时，提出了三维隔振的设计方法。
　　(2)利用ABAQUS分别建立了橡胶支座与碟形弹簧组的有限元模型，按照相应规范进行加载，获得荷载—位移曲线。通过计算得到三维隔振装置的水平刚度与竖向刚度，为其在工程中应用提供了相关参数。
　　(3)基于四川某博物馆实际工程，采用结构通用有限元分析软件SAP2000建立了原结构与隔振结构两种三维模型。选取了7条地震波输入两种结构模型，从结构周期、基底剪力、层间侧移和水平加速度峰值四个方面进行了分析。结果表明，三维隔振装置具有良好的水平向隔震效果。
　　(4)通过现场实测得到了在地铁运行时四川某博物馆室外地坪的竖向加速度时程，选取其中3条作为激励输入结构模型，分析了隔振和非隔振结构各楼层的竖向加速度响应，利用Matlab编程计算得到了各楼层的Z振级。结果表明，隔振后结构各楼层的竖向加速度和Z振级明显减小。
　　(5)对于本文分析的四川某博物馆结构模型，三维隔振装置既减小了水平向地震作用下的结构响应，又降低了地铁运行时结构各楼层的竖向加速度响应，隔震减振效果明显。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 水平隔震技术的发展与现状

1．3 竖向隔振技术研究现状

1．3．1 振源减振

1．3．2 路径阻振

1．3．3 受振体隔振

1．4 三维隔振技术的研究现状

1．4．1 三维隔振支座

1．4．2 博物馆结构的舒适度

1．5 本文的研究内容和方法

2．1 引言

2．2 竖向隔振原理

2．2．1 竖向隔振装置的计算模型

2．2．2 评价指标

2．3 三维隔振装置的构造

2．3．1 橡胶支座

2．3．2 碟形弹簧

2．3．3 三维隔振装置工作机理

2．3．4 水平与竖向刚度的解耦

2．4 三维隔振装置设计方法

2．4．1 橡胶支座

2．4．2 碟形弹簧

2．5 小结

3 三维隔振装置的数值研究

3．2．1 几何模型的建立

3．2．2 单元类型的选取

3．2．3 材料参数的选取

3．2．4 网格划分

3．2．5 边界条件的定义及加载

3．3 碟形弹簧的有限元分析

3．3．1 几何模型的建立

3．3．2 单元类型及材料参数的选取

3．3．3 网格划分

3．3．4 约束的施加和接触的建立

3．4 有限元分析结果

3．4．1 橡胶支座

3．4．2 碟形弹簧

3．5 小结

4 三维隔振装置在博物馆结构中的隔震分析

4．1 引言

4．2 结构模型

4．2．1 结构基本参数

4．2．2 计算模型的建立

4．2．3 地震波的选取

4．3 水平向隔震效果分析

4．3．1 基底剪力

4．3．2 层间侧移

4．3．3 加速度峰值

4．4 小结

5 三维隔振装置在博物馆结构中的隔振分析

5．1 四川某博物馆现场振动测试

5．1．1 测量仪器

5．1．2 测点布置方案

5．2 地铁波的选取

5．2．1 地铁波时程

5．2．2 地铁波频谱

5．3 竖向隔振效果分析

5．3．1 各楼层竖向振动加速度

5．3．2 各楼层Z振级

5．3．3 压缩量

5．4 小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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