隔震结构考虑地震动非平稳特性的地震反应及性态设计

Study on the seismic response of the base isolated structures under the fully non-stationary excitations is critical to enhance the analysis theories and design methods. The research thoughts of this project is to investigate the effects of the fully non-stationary excitations on the nonlinear response and mode control of the base isolated structures via the use of quantitative analysis derivation and shaking table tests based on the time-frequency analysis theory. Specifically, using the generalized harmonic wavelet analysis to extract the instantaneous parameters and physical modeling based on the collected nearly 1.2 million seismic waves, and then solving instantaneous frequency expressions given engineering conditions and construct the analytic signal based on the proposed model, in the meantime, using the envelope function with good adjustment ability to modulate the expression, then as analysis of incentive solving non-stationary seismic response of base isolated structure by the Cauchy residue theorem; meanwhile studying random evolution laws of non-stationary of ground motion and the its effects on the random seismic response of the base isolated structures; studying the effects of the non-stationary of ground motion on the performance design of base isolation structural design by developing performance spectrum of different stationary.degree of seismic wave. Through conducting this research, it is effective to quantitatively reveal the effects of fully non-stationary characteristics of ground motion on the nonlinear seismic response of base isolated structures, which can provide the main basis for theoretical analysis and design method for base isolated structures.

地震动的频率时变特性和隔震结构非线性耦合会使得地震反应更为复杂，本项目围绕这一关键科学问题，以时频分析理论为基础，采用理论结合试验的方法展开研究。主要内容包括：（1）采用广义谐和小波方法分析超百万条地震波的瞬时参数，同时考虑地震动物理参数，建立具有工程意义的地震动频率非平稳模型；（2）基于该模型，求解给定工程条件下的瞬时频率表达式，构造能够同时考虑频率、强度非平稳特性的地震动解析信号表达式，采用柯西留数定理推导隔震结构完全非平稳地震动下的地震响应解；（3）探索地震动完全非平稳特性的随机演化规律，研究其对隔震结构随机地震响应及动力可靠度的影响，并进行振动台试验验证；（4）考虑隔震层的复杂损伤效应，构建基于可靠度的性态谱，研究隔震结构考虑完全非平稳地震动特性的性态设计理论。本项目的研究可定量揭示地震动完全非平稳特性对隔震结构非线性地震响应的影响规律，为深化隔震结构的理论分析和设计方法提供依据。

地震波是一种典型的非平稳信号，同时具有强度非平稳性和频率非平稳性，这里的非平稳区别于随机振动领域的非平稳。强度非平稳性表现为地震波强度包络线上升和衰减的过程，反映了峰值时刻的早晚和能量的集中程度。频率非平稳性表现为地震波的瞬时频率随时间发生变化的特点。对频率成分多样的地震波来说，频率非平稳特性和强度非平稳特性往往是同时存在的。由于地震波的各个频率分量有着时变的强度包线，导致在地震动的不同阶段其卓越频率不同，各个频率分量不是同时到达峰值。地震动非平稳特征对非线性结构地震反应的影响不可忽视，并且地震动非平稳特征的准确描述对工程用人工地震波的生成也具有重要意义。.由于随机过程理论的复杂性以及研究对象的侧重点不同，非平稳地震激励下结构的响应分析研究尚有较多不足。本研究解析推导出了可分离及不可分离非平稳随机激励下的演化频率响应函数，该函数在评价结构系统的随机响应中起着非常重要的作用，通过这个函数就可以用显式表达式来评估响应的演化功率谱密度，同时还获得了在非平稳随机激励下的结构可靠性分析方面所需要的非几何谱矩。在经典阻尼线性结构系统演化频率响应函数解析表达的基础上，为了进一步证明该方法的灵活性和工程实用性，选取了五类典型的时变和时频变化的调制函数输入模型，以此得到五种不同类型的演化频率响应函数表达式，并获得相关响应的演化功率谱密度及非几何谱矩，为准确评估隔震结构的可靠性提供了理论依据。建立了基于概率密度演化方法的地震动特性对结构响应影响分析，实现了通过数学理论对影响进行量化分析。并通过自适应时间步长技术和初值条件改进提高了概率密度演化分析的效率和精度。建立隔震结构的损伤指数模型并量化隔震结构的性态指标，通过构建不同非平稳度地震波的性态谱，实现地震动非平稳特性对隔震结构性态设计的影响，这也是本项目的一个重要创新。