非平整隔震层曲面运动隔震结构的动力模型与响应控制

After Wenchuan Earthquake and Yaan Earthquake, high-rise isolated structure has been developed quickly. An urgent problem of high-rise isolated structure, bearings in tension and structure overturning effect, has being found through strong earthquake records and shaking table tests. In this program, a new high-rise isolated system with uneven isolation layer in curved surface motion is introduced. Its motion state, gravity effect, nonlinear dynamic model and response control are analyzed. The main researches are as follows: The models of isolated structure with uneven isolation layer in curved surface motion including particle systematic multi-scale computation model and mathematical mechanical model considering spatial stress status are established. The horizontal and vertical seismic response characteristics, correlation between isolation layer curvature and seismic response, the limit response rule of upper structure and isolation layer with limit displacement state are studied. The applicable conditions, application principles and seismic response prediction method based on spectrum theory of isolated structure with uneven isolation layer in curved surface motion applied in multi-class site are researched. There are significant theory meaning and specific application prospect in this research to provide high-rise isolation necessary basic theory and design basis due to the urgency of the development of high-rise isolated structure and security requirement under strong earthquake.

我国汶川及雅安地震后高层隔震结构的建设得到迅速发展，通过强震观测记录、振动台试验及数值模拟发现高层隔震结构存在隔震层受拉及结构倾覆效应，这也成为高层隔震结构发展亟需解决的难题。本课题针对高层结构旨在提出非平整隔震层曲面运动隔震结构新体系，并以该体系运动状态、重力效应、非线性动力模型和响应控制为研究对象，研究内容涵盖：研究非平整隔震层曲面运动隔震结构的质点系多尺度计算模型及考虑空间受力状态的数学力学模型；研究非平整隔震层曲面运动隔震结构的水平和竖向地震响应特征、上部结构提离及回落效应及大变形下结构及隔震层的动力行为、隔震层曲面曲率及曲率分布与地震响应之间的内在相关性、界限位移状态上部结构及隔震层的临界响应规律；研究非平整隔震层曲面运动隔震结构在多类型场地的适用条件、基于反应谱理论的地震响应预测方法及基于时频域理论的平整隔震层曲面运动隔震结构设计方法。由于高层隔震结构发展的紧迫性及强地震下的安全性要求，本项目研究将为非平整隔震层曲面运动隔震结构体系提供必要的基础理论和设计依据，具有重要的理论意义和明确的应用前景。

本项目进行了非平整隔震曲面运动隔震结构体系的相关理论和试验研究，具体研究内容和工作成果包括：①基于非平整隔震曲面运动隔震结构体系运动特性，建立了简化单质点理论分析模型，研究了非平整隔震曲面运动隔震结构体系隔震周期影响因素，并对结构隔震层曲率半径对其加速度响应、位移响应和隔震支座滞回特性的影响进行了研究。②针对非平整隔震曲面运动隔震结构体系运动特性，建立了考虑上部结构绕隔震层曲率中心转动和绕隔震层中心摆动的双自由度简化分析模型，研究了非平整隔震曲面运动隔震结构体系的加速度响应、位移响应和隔震支座滞回特性等的影响因素，并对隔震层曲率半径对结构动力响应的影响进行了研究。③建立了采用摩擦滑移隔震支座的非平整隔震曲面运动隔震结构简化分析模型，并对其进行了理论与试验研究，研究隔震层曲率半径、摩擦系数等对摩擦滑移非平整隔震曲面运动隔震结构的动力响应的影响。④根据非平整隔震曲面运动隔震结构体系运动特性及隔震支座倾斜布置特性，建立了简化分析模型并对其进行刚度分解，推导了结构加速度传递系数和位移传递系数公式，研究了场地特征周期、结构高宽比和结构阻尼比等对其加速度传递系数和位移传递系数的影响。⑤研究非平整隔震曲面运动隔震结构地震反应预测理论，综合考虑隔震支座刚度、隔震层曲面曲率、结构高宽比、结构转动与摆动耦合作用建立质点系模型，然后通过质点系模型对非平整隔震曲面运动隔震结构地震反应进行了理论研究。⑥设计并制作了不同曲率半径的采用摩擦滑移隔震支座的曲面隔震结构模型，并进行了振动台试验，通过试验方法研究摩擦滑移非平整隔震曲面运动隔震结构加速度响应、位移响应等动力特性，研究了摩擦滑移支座摩擦系数、隔震层曲率半径等对结构动力响应的影响，并与平面摩擦滑移非平整隔震曲面运动隔震结构进行了对比试验。⑦设计并制作了布置不同倾斜角度铅芯叠层橡胶隔震支座的非平整隔震曲面运动隔震结构模型，并进行了大型地震模拟振动台试验，研究不同设防烈度及不同加载制度对非平整隔震曲面运动隔震结构动力响应的影响，并与平面隔震结构模型和非隔震结构模型进行了对比试验，研究非平整隔震曲面运动隔震结构与其他结构体系动力响应差别和支座倾斜角度对结构动力响应的影响。