软钢--滚动隔震支座的力学性能理论分析与试验研究

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论文围绕大跨空间结构的隔震问题进行研究,基于滚动隔震的原理提出了一种新型软钢-滚动隔震支座,建立了相应的力学模型,并对其相关的力学性能进行了数值模拟和试验研究。同时,将支座应用于单层球面网壳结构,分别采用软钢-滚动隔震支座的等效线性模型和精细化模型分析了该类支座在隔震结构中的温度应力释放和隔震效果,利用精细化模型验证了等效线性模型的正确性,为简化支座在单层球面网壳结构中的应用提供依据。论文的具体研究工作和成果如下:  (1)开发了一种新型的软钢-滚动隔震支座。新型支座在滚动隔震装置上增加了软钢棒,使其具有一定的水平刚度,保证在风、温度等荷载作用下结构的稳定,并使其在地震作用时水平方向具有良好的滞回耗能能力。通过几何参数分析,提出了软钢-滚动隔震支座的构造设计的具体方法。  (2)建立了软钢-滚动隔震支座的力学分析理论模型,通过数值模拟研究了支座的力学性能。基于支座的概念设计,建立了软钢棒的力学模型,确定了软钢的初始刚度和屈服位移的取值依据;依据赫兹接触理论,确定了计算滚珠静载荷下的特征参数的计算方法。同时,利用有限元分析软件ANSYS建立了软钢-滚动隔震支座的精细化实体分析模型,并对其进行了相关力学性能分析,考察了不同接触参数设置对模型的影响。分析结果表明,支座具有良好的水平抗剪能力、抗扭能力和滞回耗能能力。  (3)对软钢-滚动隔震支座的力学性能进行了试验研究。为验证理论计算模型和数值模拟的合理性,对软钢-滚动隔震支座进行力学性能试验,试验内容包括软钢的材料性能测试、滚珠的摩擦系数测定和支座的滞回耗能能力试验,考察了竖向压力、加载频率和加载方向对支座滞回性能的影响。结果表明,理论模型、有限元数值模拟结果和试验数据吻合较好。  (4)对采用软钢-滚动隔震支座的单层球面网壳隔震结构进行了温度效应和隔震性能分析。为验证支座等效线性化模型的正确性,分别采用支座的等效线性模型和精细化模型建立了单层球面网壳隔震结构的数值计算模型。考察了静力荷载、温度荷载和地震作用对结构的影响,重点研究了温度变化、地震动激励类别及场地类别等参数对隔震结构力学性能的影响。结果表明,软钢-滚动隔震支座的等效线性模型和精细化模型的结果吻合较好,验证了等效线性模型的正确性;支座具有释放温度应力的功能,调节杆件应力,使之分布更加均匀;软钢-滚动隔震支座对网壳节点加速度和杆件轴向应力的控制效果明显。
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