多维地震激励下隔震结构的近断层动力灾变机制研究

国内外多次强震都表明，近断层区域是人员死亡和结构损毁最为集中的区域。在近断层区域利用隔震等新技术减少地震损失，保护人员生命及财产安全，是很自然的想法。然而，目前国内外对隔震结构在近断层区域的应用经验还非常缺乏。本项目将以国内外典型大地震的近断层实震记录作为输入，采用数值模拟与振动台模型试验相结合的方式，探索在近断层多维地震耦合激励作用下，场地断层距、隔震支座工作应力、竖向地震与水平地震峰值速度比值及峰值加速度比值等几个参数对隔震结构的强震动力响应、失效过程和失效特征的影响。先将近断层地震动的方向性和频谱成分这两个特征分离开来，取得较为明确的认识后，再将这两方面的因素合并起来，通过输入含有长周期脉冲分量和速度脉冲型地震波，揭示在将近断层多维地震激励按设定的比例调幅到罕遇地震和超越设防罕遇地震幅值时，隔震系统和隔震结构的失效过程和失效特征的变化规律，并利用振动台模型试验加以验证。

强震近断层区域的结构损毁是导致人员死亡和经济损失的最主要原因。本项目针对在近断层区域利用隔震等新技术减少地震损失、保护人员生命及财产安全的需要，以国内外典型大地震的近断层实震记录作为输入，采用理论分析、数值模拟与振动台模型试验相结合的方式，研究了在近断层多维地震耦合激励作用下，场地断层距、隔震支座工作应力、竖向地震与水平地震的峰值速度和峰值加速度等几个参数对隔震结构的强震动力响应、失效过程和失效特征的影响。探讨了含有长周期脉冲分量和速度脉冲型近断层地震波激励作用下，隔震结构的失效机理和失效特征。根据近断层地震地面运动的多维激励特性，对隔震结构进行从弹性到塑性，直至倒塌全过程的数值仿真研究。结合国内外隔震结构出现规模大型化、体系复杂化的发展趋势，对我国近年来出现的不规则隔震结构、大底盘或大底板多塔楼隔震结构、超长隔震结构、层间隔震结构、高层隔震结构及连体隔震结构等多种复杂隔震结构体系在近断层地震激励作用下的动力响应进行弹塑性分析，并利用MARC有限元软件对不同体系钢筋混凝土隔震结构的实施倒塌模拟。考虑地基土与隔震结构共同工作(SSI)对速度脉冲型近断层地震响应的放大作用，将地基取作均匀、各向同性的弹性半空间体，运用ANSYS有限元软件建立三维有限元模型，对不同场地类别下结构的动力特性进行了分析，研究了考虑SSI时结构的地震响应。探讨了空间相干功率谱模型合成近断层地震波的理论模型，与近期获取的近断层强震实际记录相结合，提取了近场地震动的特征，与远场地震动对不同隔震结构的主导损伤因素进行对比。分析了大底板多塔楼隔震结构中塔楼之间的底板在近断层地震作用下弹塑性时程响应，探讨了底板局部内力、应变场和薄弱位置。配合新颁布建筑抗震规范对隔震层位置规定的扩展，建立了多级串联非比例阻尼隔震结构动力分析模型，引用分区瑞雷阻尼模型，将本课题组提出的非比例阻尼矩阵工程实用模型推广到多级串联非比例阻尼隔震结构体系中，分析了其近断层地震响应。提出了减小近断层地震对隔震结构损伤的新型附加阻尼器、消能摇摆架及振动控制等几种针对性方法，并利用OpenSees软件进行罕遇水准下近场地震动非线性时程响应分析。分别利用小比例缩尺模型和足尺模型，对九种不同串联隔震体系的近断层地震响应进行振动台试验研究，并利用缩尺模型对装设自复位轻型消能摇摆架的框架结构体系进行振动台试验，初步验证了所建议体系的可行性。