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考虑土—结构相互作用的采动区建筑物抗震抗变形双重保护装置减震分析

作　者: 魏晓刚
导　师: 刘书贤
学　校: 辽宁工程技术大学
专　业: 结构工程
关键词: 双重保护开采沉陷变形抗震抗变形土—结构相互作用采动区
分类号: TU352.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来，采动区建筑物的安全问题益发突出，已经成为制约我国广大矿区建设发展的瓶颈问题。我国有80%以上的矿区位于抗震设防区域，对于采动区建（构）筑物进行结构设计时，针对开采沉陷变形所引起的地基变形必须进行建筑物的抗采动变形保护设计的同时，还应考虑建筑物的抗震保护设计。目前国内外专家学者对采动区建筑物抗震性能、抵抗开采沉陷变形特性分析研究上，更多局限于将二者分开进行分析研究，再加之采动区建筑物保护问题涉及多个学科，往往不能真正系统深入的分析解决该问题，并且将抗震性能分析、抗变形特性分析结合起来进行研究较少，本论文将二者结合起来进行综合研究分析，设计了基于建筑隔震技术的采动区半主动双重保护装置，并通过有限元数值计算分析了该装置的双重保护效果。首先，本文针对建筑物下采煤所采取的保护措施进行阐述，重点阐述了采动区建筑物保护问题，分析了地下煤炭开采的过程中所引起的开采沉陷变形对建筑物可能造成的危害和破坏，利用有限元数值分析了开采沉陷过程中采动区建筑物的内力变化情况，针对现行规范的不妥之处，提出了对采动区建筑物进行保护时应该同时考虑采动区地基土—基础—上部结构的相互作用，将三者视为一个整体，并考虑他们之间的协同工作关系，立足于采动区地基土与建筑物基础之间的相互作用，通过采取比较合理的保护措施来消除开采沉陷变形所引起的损害，提高建筑物抵抗开采沉陷变形的能力，消除开采沉陷变形对建筑物的危害。其次，在前面研究的基础上，根据提出了基于建筑隔震技术的采动区半主动双重保护装置，首先设计上述的采动区建筑物半主动双重保护装置以及其工作原理，然后根据半主动双重保护装置各个组成部分的构造、物理力学性能的特点和参数的计算模型及方法分别进行研究和探讨，最后根据该装置的各组成部分的性能，确定半主动双重保护装的设计方法和力学性能参数。并通过计算机分析循环荷载的位移幅值、频率对采动区半主动双重保护装置的滞回耗能性能的影响。再次，针对本文设计的采动区双重保护装置，分析阐述了在采动区开采沉陷变形和罕遇地震作用下，建筑物的不同程度的损害破坏，在前期数值分析的基础上，分别计算出开采沉陷变形和罕遇地震单独作用下采动区的地表移动变形时程曲线，确定了后续的分析方法：由于地表的不均匀沉降是一个长期缓慢的发展过程，相对于瞬间产生的地震作用，在地震发生的过程中，可以视为开采沉陷变形在此时是可以忽略的，由此在分析采动区建筑物双重保护装置的减震性能时，可以忽略地表的不均匀沉降对建筑物的危害。最后，在前几章理论分析和数值模拟的研究分析的基础上，进行了地震作用下不同保护方式的建筑物的动力响应分析，重点考察了考虑土—结构相互作用下采动区双重保护装置的减震性能和其保护效果，通过在日本阪神地震波和台湾集集地震波作用下采动区建筑物（不同保护方式下）的内力对比分析，采动区建筑物双重保护装置耗能能力强、变形能力大，有效的改善了改善整个结构体系的力学性能和传力路径。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-15
1 绪论  15-26
  1.1 采动区建筑物保护的方法及措施  16-19
    1.1.1 采动区建筑物保护的基本概念  16-17
    1.1.2 建筑物下采煤的保护方法及措施  17-18
    1.1.3 采动区建筑物保护的具体方法及措施  18-19
  1.2 采动区建筑物保护的研究进展  19-21
    1.2.1 采动区建筑物保护的国外研究进展  19-20
    1.2.2 采动区建筑物保护的国内研究进展  20-21
  1.3 采动区土—基础—结构相互作用研究进展  21-22
    1.3.1 采动区土—基础—结构相互作用研究  21-22
    1.3.2 采动区土—结构相互作用的研究进展  22
  1.4 采动区建筑物保护研究存在的问题  22-23
  1.5 主要研究内容研究方法及研究意义  23-26
    1.5.1 主要研究内容  23-24
    1.5.2 研究方法  24
    1.5.3 研究意义  24-26
2 采动区开采沉陷变形对建筑物的损害分析  26-35
  2.1 采动区地表移动变形  26-27
  2.2 采动区地表移动变形对建筑物的影响  27-29
  2.3 地下煤炭开采对建筑物影响的算例分析  29-34
    2.3.1 煤炭开采区概况  29-31
    2.3.2 数值模拟结果及分析  31-34
  2.4 本章小结  34-35
3 土—结构相互作用的理论分析  35-50
  3.1 土—结构相互作用的概念  36-37
  3.2 土的本构关系的研究  37-45
    3.2.1 土的动力本构关系  38-39
    3.2.2 土的本构关系的力学模型  39-42
    3.2.3 土动力学模型  42-45
  3.3 采动区土—结构相互作用的研究  45-47
  3.4 考虑土—结构相互作用的采动区建筑物的力学模型及运动方程  47-48
  3.5 本章小结  48-50
4 基于建筑减隔震技术的采动区建筑物双重保护措施与方法  50-62
  4.1 建筑隔震技术概要  51-54
  4.2 基于建筑隔震技术的采动区建筑物双重保护技术  54-55
  4.3 基于建筑隔震技术的采动区建筑物动力学方程  55-60
  4.4 本章小结  60-62
5 采动区建筑物半主动双重保护装置的设计与理论分析  62-97
  5.1 采动区建筑物半主动双重保护装置工作原理  62-64
  5.2 水平隔震支座（内含 SMA）的设计  64-71
    5.2.1 铅芯橡胶支座的构造特性  65-66
    5.2.2 铅芯橡胶支座隔震力学性能的理论分析  66-71
    5.2.3 铅芯橡胶隔震支座的构造要求  71
    5.2.4 半主动控制技术  71
  5.3 蝶形弹簧的理论分析与设计  71-77
    5.3.1 蝶形弹簧的构造要求  72-73
    5.3.2 蝶形弹簧的分类和组成形式  73-74
    5.3.4 碟形弹簧的分析与设计  74-76
    5.3.5 标准碟形弹簧选择  76-77
  5.4 碟形弹簧在隔震体系中的功能与作用  77-78
    5.4.1 碟形弹簧的特性在隔震体系中的功能作用  77
    5.4.2 蝶形弹簧的力学性能分析和设计  77-78
  5.5 粘滞耗能减振阻尼器的设计  78-86
    5.5.1 粘滞耗能阻尼器的分类  78-80
    5.5.2 粘滞流体阻尼器的恢复力模型  80-83
    5.5.3 粘滞阻尼器的理论分析  83-85
    5.5.4 粘滞耗能阻尼器的计算模型的确定  85-86
  5.6 采动区半主动双重保护装置的分析与设计  86-95
    5.6.1 采动区抗震抗变形双重保护支座的力学性能分析  87-88
    5.6.2 采动区双重保护装置的的滞回性能分析  88-94
    5.6.3 结果分析  94-95
  5.7 本章小结  95-97
6 考虑土—结构相互作用的采动区建筑物半主动双重保护装置减震分析  97-120
  6.1 引言  97-98
  6.2 采动区建筑物有限元模型  98-101
    6.2.1 有限元分析中边界的处理  98
    6.2.2 有限元分析模型的建立  98-99
    6.2.3 不同保护条件下采动区建筑物模态分析  99-101
  6.3 采动区建筑物地震响应分析  101-105
    6.3.1 地震波的输入  101-102
    6.3.2 地震波的选择和修正  102-105
  6.4 采动区地震—开采沉陷变形共同作用下建筑物受力分析  105-108
  6.5 采动区建筑物半主动双重保护装置减震分析  108-118
    6.5.1 不同保护方式采动区建筑物地震响应分析  108-112
    6.5.2 阪神地震波作用下采动区建筑物动力响应时程分析  112-115
    6.5.3 集集地震波作用下采动区建筑物动力响应时程分析  115-118
  6.6 本章小结  118-120
7 结论与展望  120-124
  7.1 主要结论  120-122
  7.2 研究展望  122-124
参考文献  124-128
作者简历  128-132
学位论文数据集  132-133

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