基于随机地震动模型的高层隔震结构非线性动力响应及性态设计方法研究

The base isolation technology for buildings has clear working mechanism, good isolation effect and reasonable project cost. It is always a research and application hot spot in structural passive control. The base isolation technology is mainly used in multi-story or large span structures. And it is rare in high-rise building structures. The main reason is that people do not confirm the effect of the high-rise base isolated structures. Therefore, it is necessary to explore from two aspects: Firstly, the time history analysis method is used to calculate and analyze the high-rise base isolated structures most frequently. However, it is easy to make the seismic responses of the structures to be more discrete due to the method. The uncertainty will bring more difficulties to the design of high-rise base isolated structures. So the Probability Density Evolution Method based on the random ground motion model will be used in this analysis procedure. The probability density function and the probability distribution function of the structural response are analyzed, and the reliability of the structure is obtained. In order to get a more comprehensive understanding of seismic response, security and reliability of high-rise base isolated structures, it is more reasonable that the random vibration and reliability theory are introduced to analyze the structures. Secondly, for the design method of high-rise base isolated structures, to develop the performance based design method and reasonable performance evaluation based on reliability for the structures are necessary. These work have important significance to improve and broaden the theoretical depth and conduct engineering design of high-rise base isolated structures.

建筑结构的基础隔震技术因其工作机理清晰、隔震效果显著且工程造价合理，一直是结构被动控制研究与应用的一个热点。基础隔震技术主要用于多层或大跨结构，在高层建筑结构中并不多见。究其原因主要是人们对高层建筑结构在基础隔震后的效果并不明确。所以需从两方面进行探讨：一、对于高层隔震结构的计算与分析，目前大多采用的时程分析法容易造成结构的地震响应产生较大的离散，所产生的不确定性会给高层隔震结构的设计带来更大的困难。因此，拟采用基于随机地震动模型的概率密度演化法，分析结构响应的概率密度函数和概率分布函数，并获得结构的可靠度。将随机振动与可靠度理论引入结构的计算过程中，能对该结构的地震响应、安全性与可靠性有更全面的了解。二、对于高层隔震结构的设计方法，研究出高层隔震结构基于性态的设计方法，并采用可靠度理论对其进行合理的性态评价，对完善和拓宽高层隔震结构的理论研究深度、指导工程设计都具有非常重要的意义。

一种合理的随机地震响应的计算方法将对高层隔震结构的响应规律和基于性态的设计方法产生重要的作用。目前运用概率密度演化方法，研究高层隔震结构的随机地震响应规律，并采用基于性态的设计方法对高层隔震结构进行性能评价。本课题主要研究的内容为：1、高层隔震结构的随机地震响应分析。将高层隔震结构等效为两质点模型，隔震层和上部结构分别为一个质点。鉴于高层隔震结构的非线性特性，采用Bouc-Wen模型和刚度退化的Bouc-Wen模型分别描述隔震层和上部结构的恢复力特性。运用概率密度演化方法研究高层隔震结构的随机地震响应。利用解耦的物理方程，降低了概率密度演化方程的维数，解决了经典概率密度演化方法存在的随机性与非线性相耦合的困难。2、高层隔震结构的动力可靠度分析。采用基于首次穿越准则的一次二阶矩法和基于极值分布的概率密度方法。因此可以精确地给出结构响应极值的概率密度函数。根据高层隔震结构层间位移的限值，可在结构层间位移极值的分布函数曲线上获得隔震结构的可靠度。3、高层隔震结构的性态设计方法。根据现有传统抗震结构性态水平的划分方式与高层隔震结构在实际地震下的性态表现，提出了高层隔震结构性态水平的划分方式与性态设防目标。考虑隔震支座的压剪相关性，通过位移指标对隔震结构的性态设防目标进行量化。改进并提出直接基于位移的性态设计方法使其适用于高层隔震结构。