CN115114694A - 一种基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于结构抗震性能评估技术领域，公开了一种基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法，首先对基础隔震结构进行多级初位移回弹试验，得到衰减振动位移信号，建立三维抗震能力曲线和三维隔震能力曲线；然后选择规范设防地震反应谱，建立三维地震需求曲面，确定结构性能反应点，得到结构基底剪力系数；最后计算水平向减震系数，直接评价结构减震性能。本发明以建筑抗震设计规范要求为基准，能够直观地评价隔震结构的减震性能，无需进行受迫振动试验，不损伤橡胶支座和建筑室内设备，可以作为隔震结构项目竣工验收及抗震性能评估的直接依据。

Description

一种基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法
技术领域
本发明属于结构抗震性能评估技术领域，具体涉及一种基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法。
背景技术
由于隔震技术能够有效地提高结构的减震性能，我国各地新建项目中隔震建筑的占比越来越高。但仅有少量的隔震建筑经受了地震的检验，更多结构的减震能力能否达到设计目标尚存疑问。现行的国家规范和行业标准中，仅对单个隔震支座的性能试验方法做出了规定与指导以保证其性能参数符合设计要求，但缺乏对其整体减震性能评价的方法。
现场回弹试验是基础隔震结构动力测试的有效手段。该试验首先对基础施加水平力使隔震层产生初位移，然后瞬时卸载让结构进入衰减振动状态，通过研究振动曲线可以获得隔震系统在不同初位移幅值下的动力特性。国内外已有学者针对基础隔震建筑开展了现场回弹试验，但这些试验采用的初位移幅值远低于隔震支座的有效工作位移，并不能反映真实的非线性隔震状态，无法对结构减震性能进行评价。因此，有必要提出基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法，为隔震结构项目竣工验收及抗震性能评估提供直接依据。
发明内容
本发明提供了一种基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法，能够直观地判断真实隔震结构的减震性能是否与设计目标相符合。
本发明是这样实现的，一种基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法，实现步骤包括：
S1，对基础隔震结构进行多级初位移回弹试验，得到衰减振动位移信号，建立三维抗震能力曲线和三维隔震能力曲线；
S2，选择规范设防地震反应谱，建立三维地震需求曲面，确定结构性能反应点，得到结构基底剪力系数；
S3，计算水平向减震系数，直接评价结构减震性能。
进一步地，S1具体包括：
S11，以橡胶隔震支座100％剪切应变对应的水平位移为大初位移值，等间隔划分10个初位移等级；
S12，针对每一个初位移等级，对基础施加水平静力荷载直至基础位移达到目标等级初位移值后迅速释放，使结构回弹后进入自由衰减振动状态，依次获取各级试验中的衰减振动位移时程曲线；
S13，计算第i级初位移试验隔震结构的谱加速度ai、谱位移di和阻尼比ξci，如公式(1)：
Figure BDA0002980723430000011
公式(1)中，m为隔震结构总质量，ln为自然对数，π为圆周率，第i级初位移试验中所测得的参数如下：
ui为目标初位移，Fi为目标初位移对应的水平静力荷载，u1i为结构经历第一个完整回弹周期时对应的峰值位移；
S14，以反应谱位移D＝u为x坐标、阻尼比ξ＝5％为y坐标、反应谱加速度A＝4π2D/Tfix 2为z坐标(Tfix为抗震结构基本周期)，建立抗震结构的A-D-ξ三维抗震能力曲线，然后以D＝u为x坐标、ξ＝ξc为y坐标、A＝a为z坐标，建立隔震结构的A-D-ξ三维隔震能力曲线。
进一步地，S2具体包括：
S21，确定隔震结构的结构类型、抗震等级、建筑场地类别、设防烈度、设计地震分组等基本信息；
S22，按照建筑抗震设计规范GB50011-2010要求选取设防地震反应谱，将一系列阻尼比从1％至40％逐步增大的反应谱曲线绘制在A-D-ξ坐标系中形成结构三维地震需求曲面；
S23，确定三维抗震能力曲线与三维地震需求曲面的交点，对应的A坐标值为抗震结构基底剪力系数Afix，确定三维隔震能力曲线与三维地震需求曲面的交点，对应的A坐标值为隔震结构基底剪力系数Ab。
进一步地，S3具体包括：
S31，利用公式(2)计算水平向减震系数β：
Figure BDA0002980723430000021
S32，以GB50011-2010中的“水平向减震系数与隔震后结构水平地震作用所对应烈度的分档表”为依据，查找计算水平向减震系数对应的隔震后结构水平地震作用烈度，与隔震设计目标作对比，若计算减震系数值高于设计目标，则认为隔震结构的减震性能不符合设计要求。
附图说明
图1为本发明的计算步骤图。
图2a为本发明实施例中的结构立面图。
图2b为本发明实施例中的隔震支座平面布置图。
图2c为本发明实施例中的ETABS有限元模型示意图。
图3为本发明实施例中的结构性能反应点示意图。
图4为本发明实施例中所采用输入地震波的加速度反应谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图及具体实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的应用。
本发明提供一种基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法。
如图1所示，本发明实施例提供的基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法包括步骤如下：
S1：对基础隔震结构进行多级初位移回弹试验，得到衰减振动位移信号，建立三维抗震能力曲线和三维隔震能力曲线；
S2：选择规范设防地震反应谱，建立三维地震需求曲面，确定结构性能反应点，得到结构基底剪力系数；
S3：计算水平向减震系数，直接评价结构减震性能。
进一步地，S1具体包括：
S11，以橡胶隔震支座100％剪切应变对应的水平位移为大初位移值，等间隔划分10个初位移等级；
S12，针对每一个初位移等级，对基础施加水平静力荷载直至基础位移达到目标等级初位移值后迅速释放，使结构回弹后进入自由衰减振动状态，依次获取各级试验中的衰减振动位移时程曲线；
S13，计算第i级初位移试验隔震结构的谱加速度ai、谱位移di和阻尼比ξci，如公式(1)：
Figure BDA0002980723430000031
公式(1)中，m为隔震结构总质量，ln为自然对数，π为圆周率，第i级初位移试验中所测得的参数如下：ui为目标初位移，Fi为目标初位移对应的水平静力荷载，u1i为结构经历第一个完整回弹周期时对应的峰值位移；
S14，以反应谱位移D＝u为x坐标、阻尼比ξ＝5％为y坐标、反应谱加速度A＝4π2D/Tfix 2为z坐标(Tfix为抗震结构基本周期)，建立抗震结构的A-D-ξ三维抗震能力曲线，然后以D＝u为x坐标、ξ＝ξc为y坐标、A＝a为z坐标，建立隔震结构的A-D-ξ三维隔震能力曲线。
进一步地，S2具体包括：
S21，确定隔震结构的结构类型、抗震等级、建筑场地类别、设防烈度、设计地震分组等基本信息；
S22，按照建筑抗震设计规范GB50011-2010要求选取设防地震反应谱，将一系列阻尼比从1％至40％逐步增大的反应谱曲线绘制在A-D-ξ坐标系中形成结构三维地震需求曲面；
S23，确定三维抗震能力曲线与三维地震需求曲面的交点，对应的A坐标值为抗震结构基底剪力系数Afix，确定三维隔震能力曲线与三维地震需求曲面的交点，对应的A坐标值为隔震结构基底剪力系数Ab。
进一步地，S3具体包括：
S31，利用公式(2)计算水平向减震系数β：
Figure BDA0002980723430000032
S32，以GB50011-2010中的“水平向减震系数与隔震后结构水平地震作用所对应烈度的分档表”为依据，查找计算水平向减震系数对应的隔震后结构水平地震作用烈度，与隔震设计目标作对比，若计算减震系数值高于设计目标，则认为隔震结构的减震性能不符合设计要求。
应用实例：
根据上述基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法的步骤，以某基础隔震楼为工程实例进行减震性能评价。该建筑为四层框架结构，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第三组，设计基本地震加速度峰值为0.10g，所在场地为Ⅱ类，场地特征周期为0.45s。建筑总面积约为1441.16m2，建筑总高度为18.65m，共设有4个楼层，其中，第一、第二层层高均为5.5m，第三层层高为6.15m，第四层层高为3m，见图2a；采用铅锌橡胶支座和天然橡胶支座组成的隔震体系，支座布置见图2b，力学参数见表1。该楼设计隔震目标为：隔震后上部结构水平地震作用可按“降半度”设计。查建筑抗震设计规范GB50011-2010“水平向减震系数与隔震后结构水平地震作用所对应烈度的分档表”得到β应满足0.40≤β≤0.53。
表1隔震支座力学参数
Figure BDA0002980723430000041
针对隔震楼y方向振动开展动力测试，建立三维抗震能力曲线、三维隔震能力曲线、三维地震需求曲面，得到能力曲线与需求曲面的交点即为结构性能反应点(图3)，其中，Ab＝0.039g、Afix＝0.094g，由公式(2)算得水平向减震系数为β＝0.415，符合设计要求。
以时程分析结果计算得到的水平向减震系数为“准确值”作为基准来验证评价方法的有效性，因此建立了隔震建筑的ETABS有限元模型，如图2c所示。该楼x、y方向的基本水平自振周期分别为1.155s和1.207s。采用与抗规设防谱匹配的5条天然波和2条人工波作为方法验证所需时程分析的地震动加速度时程输入，其反应谱曲线与抗规设防谱匹配较好，如图4所示。通过ETABS有限元模型计算，得到结构各层层剪力比值，即水平减震系数值，见表2。
表2结构各层水平向减震系数
Figure BDA0002980723430000042
对比结果可知，本发明结果与实际动力时程计算得到的水平向减震系数值误差均在15％以内，且评价结果均为“实际减震性能与设计目标相符”。由此可见，本发明提供的基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法有效可靠。

Claims (4)

1.一种基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法，其特征在于，所述基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法包括以下步骤：
S1，对基础隔震结构进行多级初位移回弹试验，得到衰减振动位移信号，建立三维抗震能力曲线和三维隔震能力曲线；
S2，选择规范设防地震反应谱，建立三维地震需求曲面，确定结构性能反应点，得到结构基底剪力系数；
S3，计算水平向减震系数，直接评价结构减震性能。
2.如权利要求1中所述的基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法，其特征在于，S1具体包括：
S11，以橡胶隔震支座100％剪切应变对应的水平位移为大初位移值，等间隔划分10个初位移等级；
S12，针对每一个初位移等级，对基础施加水平静力荷载直至基础位移达到目标等级初位移值后迅速释放，使结构回弹后进入自由衰减振动状态，依次获取各级试验中的衰减振动位移时程曲线；
S13，计算第i级初位移试验隔震结构的谱加速度ai、谱位移di和阻尼比ξci：
Figure FDA0002980723420000011
di＝ui，
Figure FDA0002980723420000012
式中，m为隔震结构总质量，ln为自然对数，π为圆周率，第i级初位移试验中所测得的参数如下：ui为目标初位移，Fi为目标初位移对应的水平静力荷载，u1i为结构经历第一个完整回弹周期时对应的峰值位移；S14，以反应谱位移D＝u为x坐标、阻尼比ξ＝5％为y坐标、反应谱加速度A＝4π2D/Tfix 2为z坐标(Tfix为抗震结构基本周期)，建立抗震结构的A-D-ξ三维抗震能力曲线，然后以D＝u为x坐标、ξ＝ξc为y坐标、A＝a为z坐标，建立隔震结构的A-D-ξ三维隔震能力曲线。
3.如权利要求1中所述的基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法，其特征在于，S2具体包括：
S21，确定隔震结构的结构类型、抗震等级、建筑场地类别、设防烈度、设计地震分组等基本信息；
S22，按照建筑抗震设计规范GB50011-2010要求选取设防地震反应谱，将一系列阻尼比从1％至40％逐步增大的反应谱曲线绘制在A-D-ξ坐标系中形成结构三维地震需求曲面；
S23，确定三维抗震能力曲线与三维地震需求曲面的交点，对应的A坐标值为抗震结构基底剪力系数Afix，确定三维隔震能力曲线与三维地震需求曲面的交点，对应的A坐标值为隔震结构基底剪力系数Ab。
4.如权利要求1中所述的基于现场动力测试的隔震结构减震性能评价方法，其特征在于，S3具体包括：
S31，计算水平向减震系数β：
Figure FDA0002980723420000013
S32，以GB50011-2010中的“水平向减震系数与隔震后结构水平地震作用所对应烈度的分档表”为依据，查找计算水平向减震系数对应的隔震后结构水平地震作用烈度，与隔震设计目标作对比，若计算减震系数值高于设计目标，则认为隔震结构的减震性能不符合设计要求。
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CN116186826A (zh) * 2022-11-29 2023-05-30 清华大学 基于数据-力学耦合驱动图神经网络的隔震支座设计方法

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CN116186826A (zh) * 2022-11-29 2023-05-30 清华大学 基于数据-力学耦合驱动图神经网络的隔震支座设计方法
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