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地震中的建筑物倒塌仍然是造成灾难性损失的主要原因,这凸显了提高抗震能力的关键必要性。固体力学的研究表明,周期性结构可以在特定频率范围内抑制弹性波的传播,这种现象被称为带隙,为地震隔离提供了一种有前景的途径。本研究通过振动台试验和数值模拟,研究了由混凝土和橡胶层交替组成的混凝土-橡胶层状周期性基础(CRLPF)的地震隔离性能。对传统混凝土基础(CF)上的典型框架结构与提出的CRLPF上的框架结构进行了比较分析。开发了一个高保真度的数值模型,并通过实验结果进行了验证,显示出极好的一致性。后续的参数研究表明,地震运动特性(类型和幅度)、橡胶层的数量以及橡胶层的存在显著影响了CRLPF的性能。结果表明,CRLPF有效减弱了上部结构的加速度和层间位移角,最大减幅率分别达到了34.41%和17.19%。这项研究为层状周期性基础的参数设计和工程应用提供了宝贵的见解和实际指导。
利用周期性结构进行地震波衰减的现有方法可以分为负刚度装置[6]、惯性器基系统[7]和层状周期性基础(LPFs)[8,9]。LPFs能够在水平和垂直方向上通过其固有的频率带隙支撑上部结构并衰减地震波。根据单元格周期性的方向米乐M6(MiLe)亚洲官方网站- 赔率最高在线投注平台,周期性基础可以分为一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)配置[[10], [11], [12]]。LPFs具有结构简单的特点,并在衰减入射波(包括剪切波和压力波)方面表现出强大的能力,因此在地震隔离领域引起了越来越多的关注。单个散射体的振动特性和结构的周期性排列被认为是影响衰减区形成的关键因素[13,14]。在这个理论框架内,布鲁莱等人在法国里昂进行了世界上第一个周期性隔离结构的原型现场测试,证明了在实际工程中应用周期性结构的可行性[15]。严等人[12,16]确认了周期性基础的地震性能高度依赖于其设计参数。科洛姆比等人和吴等人[17,18]表明,改变表面屏障的梯度会导致禁带频率范围更低且更宽,这种现象被称为“地震彩虹”。等人[19]使用截面钢作为表面超材料,在LPFs中实现了更低的禁带频率,而曾等人[20,21]构建了一个一维倒T形表面超材料,通过现场实验验证了其禁带频率范围为6.7 - 17.2 Hz。向等人[22]通过振动台试验研究了配备LPFs的钢结构的地震响应。贾因等人[23]在桥梁基础中应用了周期性层状基础进行地震隔离,通过加入空心低碳钢层实现了低初始频率和宽衰减区。
对带有和不带有这种周期性隔离系统的桥梁进行的比较数值模拟表明,水平加速度响应显著降低。赵等人[24]为核电站开发了四种基础模型,以检验LPFs的地震隔离性能。何等人[25]研究了森林树木在层状土壤上的衰减性能,表明梯度高度的树木阵列在80 Hz以下提供了宽衰减区。刘等人[26]提出了一种复合层状基础,并模拟了支撑在复合LPF上的四层框架结构的地震响应。卢等人[27]引入了一种周期性桩加固的复合基础。在各种周期性基础类型中,橡胶-混凝土LPFs因其简单的构造和成本效益而脱颖而出。米乐M6(MiLe)亚洲官方网站- 赔率最高在线投注平台(访问: hash.cyou 领取999USDT)赵等人[28]设计了一种由LPF支撑的框架结构,并通过振动台试验验证了其性能。鲍等人[29]使用传递矩阵方法分析了LPFs的衰减区,并通过数值模拟评估了其地震隔离效果。熊等人[30]采用差分求积法研究了LPF的衰减区。程等人[31,32]研究了材料阻尼对LPF地震隔离性能的影响,并使用Riccati传递矩阵方法计算了阻尼LPF的动态传递函数。他们的发现表明,通过带隙中的能量耗散和衰减区中的速度相关耗散,可以减轻上部结构的响应。吴等人[33]推导并验证了用于估计橡胶-混凝土LPFs前几个带隙界限的分析公式,建立了带隙频率的映射关系。萨菲等人[34]研究了具有三种单元格配置和不同橡胶粘弹性模型的LPFs的地震响应,发现粘弹性增强了波的衰减性能。刘等人[35]和维塔托等人[36]进行了Sobol敏感性分析,以评估带隙宽度和范围对五个输入参数(包括材料和几何属性)的依赖性。
与传统的基础隔离系统(如铅橡胶轴承或摩擦摆隔离器)相比,所提出的混凝土-橡胶层状周期性基础(CRLPF)具有几个明显的优势,突显了其在工程应用中的创新性和实际潜力。虽然许多传统隔离器主要设计用于水平运动,但CRLPF的一维周期性使其能够通过多方向带隙同时衰减水平和垂直方向的地震波,提供更全面的保护。同时,CRLPF将隔离机制直接集成到基础中,消除了对额外机械装置、复杂连接或专门维护的需求,从而提高了结构的简单性和长期可靠性。该系统使用广泛可用的建筑材料(混凝土和橡胶),确保了成本效益,并便于在实际项目中直接实施。此外,其带隙属性可以通过调整几何和材料参数(例如层厚度、橡胶模量)进行定制,使设计师能够针对预期的地震灾害的主要频率范围进行优化。此外,层状配置适用于各种基础类型,既适用于新建筑,也适用于现有结构的改造。这些特点使CRLPF不仅仅是一个替代方案,而是一种先进的、集成的下一代地震隔离解决方案,特别是在传统隔离在几何上受到限制或经济上不可行的框架结构中。