三维隔震单层球壳地震动强度参数及隔震支座位移研究

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三维隔震单层球壳地震动强度参数及隔震支座位移研究StudyonSeismicIntensityMeasuresandIsolationBearingDisplacementforThree-DimensionalIsolatedSingle-layerReticulatedDomes学科专业：土木工程作者姓名：崔中豪指导教师：丁阳教授天津大学建筑工程学院2017年12月 摘要增量动力分析方法被广泛应用于结构的地震动力响应分析。针对三维隔震单层球面网壳结构，如何有效表征输入地震动的特性是此种结构增量动力分析的基础。同时，影响隔震结构整体可靠度的隔震层位移响应及其破坏是此种结构地震动力响应分析的研究重点。本文采用数值模拟的方法，对比分析了近场和远场地震下三维隔震单层球面网壳的结构动力响应，研究了适用于三维隔震单层球面网壳的地震动强度参数，并提出了基于地震动强度的隔震支座位移预测公式，主要内容有：（1）以三维隔震Kiewitt-8型单层球面网壳结构为研究对象，对比分析近场和远场两组地震动下网壳结构和隔震层的动力响应。分析结果表明三维隔震支座能有效降低球面网壳在两种地震下的加速度响应及整体变形，但与远场地震相比，含有长周期脉冲的近场地震可显著增大隔震层位移。（2）对三维隔震Kiewitt-8型单层球面网壳结构输入长短脉冲周期和非脉冲型近场地震动，研究近场脉冲成分、脉冲周期和三向地震动等因素对常用地震动强度参数适用性的影响，并探讨了三维隔震单层球面网壳地震动强度参数的选用方法；考虑结构三向异性，提出基于三向地震动的向量型强度参数[DMASIx,DMASIy,Saz]，并从相关性和有效性两个方面对其进行评价。（3）基于地震动强度参数，使用无量纲化参数分析方法研究各结构参数对三维隔震支座峰值位移的影响；在统计分析大量模拟数据的基础上，拟合得出近场地震下三维隔震单层球面网壳支座位移预测公式，并对公式的准确性进行了验证。关键词：三维隔震单层球面网壳，近场地震动，结构动力响应，地震动强度参数，三维隔震支座位移I II ABASTRACTIncrementaldynamicanalysisiswidelyusedintheanalysesofseismicresponsesofstructures.Forthree-dimensionalisolatedsinglelayerreticulateddomes,effectivedescriptionsoftheseismicintensityisthebasisoftheincrementaldynamicanalysis.Atthesametime,thedisplacementresponseanddamageoftheisolationlayerthatinfluencetheoverallreliabilityoftheisolatedstructuresarethekeypointsoftheseismicdynamicresponseanalysis.Basedonnumericalsimulation,thedynamicresponsesofthreedimensionalisolatedsingle-layerreticulateddomesundertheexcitationofnearandfarfaultearthquakesarecompared,thenthisthesisanalyzesintensitymeasuresapplicabletothree-dimensionalisolatedsingle-layerreticulateddomes,andadisplacementpredicationformulaoftheisolationlayerisproposed.Themainresearchcontentsarefollows.(1)Firstly,takingathree-dimensionalisolatedKiewitt-8single-layerreticulateddomeasobjectofresearch,thisthesiscomparesthedynamicresponsesofthereticulateddomeandtheisolationlayerunderfarandnearfaultexcitation.Theresultsshowthatthethree-dimensionalisolationbearingcanreducetheaccelerationresponseandoveralldeformationofthereticulateddomes.However,comparedwiththefar-fieldearthquakes,thenear-fieldearthquakescontaininglong-periodpulsescanincreasethedisplacementofisolationsignificantly.(2)Thenthisthesisanalyzestheinfluenceofpulsecontents,periodofpulse,three-dimensionalgroundmotionetc.,ontheapplicationofintensitymeasuresundertheexcitationofnear-faultearthquake,andtheselectionmethodofefficientintensitymeasuresofthree-dimensionalisolatedreticulateddomesisdiscussed.Consideringtheanisotropicpropertiesofstructure,anvector-valuedintensitymeasure[DMASIx,DMASIy,Saz]isproposed,anditisevaluatedintermsofcorrelationandefficiency.(3)BasedonIMselectedfromPart(2),theinfluenceofdesignparametersonthedisplacementresponseisstudiedbyusingnon-dimensionalanalysis.Thenthedisplacementpredicationformulaofthethree-dimensionalisolationbearingisproposedthroughstatisticalanalysisofnumericalsimulations.Itsaccuracyisverifiedbythevalidationmodel.III Keywords:three-dimensionalisolatedsingle-layerreticulateddomes,near-faultgroundmotion,structuraldynamicresponse,intensitymeasure,displacementofthree-dimensionalisolationbearingIV 目录第1章绪论..................................................................................................................11.1研究背景与意义........................................................................................11.2研究现状....................................................................................................31.2.1地震动强度参数研究现状...............................................................31.2.2隔震结构动力响应研究现状...........................................................81.2.3三维隔震装置研究现状...................................................................91.3存在的问题..............................................................................................111.4本文的主要工作......................................................................................11第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析................................132.1引言..........................................................................................................132.2计算模型及地震动记录..........................................................................132.2.1杆件、节点及隔震支座计算模型.................................................132.2.2有限元模型的建立.........................................................................142.2.3计算模型.........................................................................................172.2.4地震动记录.....................................................................................182.3远近场地震下三维隔震球面网壳减震效果对比分析..........................202.3.1评价指标.........................................................................................202.3.2隔震周期对减震效果的影响.........................................................202.3.3隔震支座特征力比对减震效果的影响.........................................212.4远近场地震下三维隔震球面网壳隔震层位移响应对比分析..............222.4.1隔震周期对隔震支座位移的影响.................................................222.4.2隔震支座特征力比对支座位移的影响.........................................232.4.3远近场地震下结构支座最大位移对比.........................................242.5本章小结..................................................................................................25第3章适于近场地震下三维隔震单层球壳地震动强度参数分析........................273.1引言..........................................................................................................27V 3.2计算模型及地震动记录..........................................................................273.2.1计算模型.........................................................................................273.2.2地震动记录.....................................................................................283.3脉冲地震下地震动强度参数分析..........................................................333.3.1强度参数及其评估方法.................................................................333.3.2长短脉冲地震动下强度参数分析.................................................363.4考虑三向地震的向量型地震动强度参数..............................................403.5非脉冲与脉冲地震对地震动强度参数预测能力影响对比..................413.5.1相关性.............................................................................................423.5.2有效性.............................................................................................433.5.3敏感性.............................................................................................443.6本章小结..................................................................................................46第4章三维隔震单层球壳支座位移预测................................................................474.1引言..........................................................................................................474.2计算模型及地震动记录..........................................................................474.3简化模型运动方程及耦合效应..............................................................494.3.1运动方程.........................................................................................494.3.2耦合效应.........................................................................................504.4无量纲化参数..........................................................................................514.4.1选用的地震动强度参数.................................................................514.4.2无量纲化参数.................................................................................514.5隔震支座位移响应研究..........................................................................534.5.1结构响应参数研究方法.................................................................534.5.2位移响应的参数分析.....................................................................544.6隔震支座位移预测公式及验证..............................................................604.6.1隔震支座位移预测公式.................................................................604.6.2位移预测公式验证.........................................................................634.7本章小结..................................................................................................64第5章总结与展望....................................................................................................675.1总结..........................................................................................................67VI 5.2展望..........................................................................................................68参考文献......................................................................................................................69发表论文和参加科研情况说明..................................................................................75致谢..............................................................................................................................77VII VIII 第1章绪论第1章绪论1.1研究背景与意义自20世纪50年代以来，随着社会经济的快速发展，我国居民对建筑大空间的需求越来越迫切，大跨空间结构因其具有良好的抗震性能而被广泛地应用于体育场馆、铁路车站和航站楼等需要大跨度活动空间的公共建筑中，例如：天津西站（天津，2011），广州会展中心（广州，2014）等，均已成为国家或城市的地标性建筑，如图1-1所示。（a）国家大剧院(b)天津西站（c）广州会展中心图1-1我国大跨空间结构代表工程然而大跨空间结构作为公共建筑，往往人员聚集众多，一旦发生事故，将造成巨大的生命和财产损伤。在国内外，此类结构在强震等强烈荷载作用下已经发生了一系列严重的事故，例如2008年汶川地震中电厂汽机房倒塌和2004年法国戴高乐机场破坏，如图1-2所示。1 第1章绪论（a）电厂汽机房倒塌(b)戴高乐机场候机楼破坏图1-2大跨空间结构的倒塌事故被动控制作为一种易于实施、成本低和减震效果好的技术，被广泛应用于一系列大跨空间建筑中。昆明长水国际机场（图1-3（a））和北京大兴国际机场（图1-3（b））等均采用二维水平单体隔震技术。（a）昆明长水国际机场(b)北京大兴国际机场图1-3隔震大跨空间结构图1-4液压型三维隔震建筑Chisuikan对于空间结构，竖向地震作用不可忽略，强烈的竖向地震作用可能是结构破坏的主要原因。近几十年来，国内外学者开发了一系列三维隔震支座，并将其应用于中低层建筑和以单层球面网壳为代表的轻型钢结构中，例如日本学者T.Tomizawa,和T.Fujita[44]于2011年3月建立了名为“chisuikan”的新型三维隔震建筑物，该建筑物如图1-4所示。但目前，国内外学者对三维隔震支座在大跨空间结构中的应用和三维隔震大跨空间结构动力响应研究尚且处于起步阶段，尤其是2 第1章绪论在含有长周期脉冲的近场地震动作用下，三维隔震结构存在破坏及倒塌的可能。因此当前迫切需求全面开展三维隔震大跨结构在近场地震动作用下的动力响应分析，研究适用于此种结构的地震动强度参数，建立基于性能的抗震设计理论与方法，为新型大跨空间结构三维隔震体系的建立奠定理论基础，并为建设在近断层区域内的大跨三维隔震结构提供设计参考。1.2研究现状1.2.1地震动强度参数研究现状传统抗震设计理论多采用分级抗震的设计思想，如我国规范规定的“小震不坏，中震可修，大震不倒”三级设防标准，这种设计思想虽然能够保证人员的生命安全，但却无法有效控制震后的损失。基于性能的抗震设计克服了传统设计理论中仅以生命安全为目标的缺点，代表着结构设计的发展趋势。其特点包括[1]：使抗震设计从宏观、概念性的单一目标向具有明确定义、具体的多重目标发展，业主和设计者可根据自身需求制定个性化的性能指标；注重深入探索和研究可实施性目标，鼓励建筑结构的新技术、新材料和新体系的自主创新；采用多条件进行分级，如抗震设防要求、场地类型和建筑的重要性，据此制定相应的性能化指标及措施。针对桥梁及多高层建筑结构领域的基于性能的抗震设计理论已经有了比较丰富的成果[2]。然而对于隔震结构，基于性能的抗震分析与设计方法还处于起步阶段，尚未形成切实可行的设计方法，主要原因有：①隔震结构由上部子结构、隔震层、下部子结构共三部分构成，对于各部分性能评价指标不统一，无法用单一子结构破坏等级评价结构整体破坏状态；②适用于隔震结构的地震动强度参数选用研究不足。基于性能的抗震研究的主要内容包含[3]：地震危险性分析、设防水准的确定、结构性能指标的确定及水平划分和基于性能的抗震设计方法。其中地震危险性分时是基于性能的抗震研究的第一步和关键问题。地震危险性分析是联系地震工程学和地震学的纽带，其分析方法主要有确定性分析方法和概率分析方法。确定性分析方法以定量的数值来估计某地区可能遭遇的最大地震震级和地点等，此方法受主观因素较大。由Cornell[4]等提出的概率地震危险性分析方法根据超越特定限定状态的平均概率来表现地震对结构危险性程度，其分析成果可以用地震动危险性曲线来表示。3 第1章绪论在概率地震危险性分析方法中，地震动强度的不确定性可以选用两种方法来表示：标量型或向量型的地震动强度参数；地震动随机模型的全概率模型。其中地震动强度参数因其适用性和简单性而被广泛使用。地震动强度参数作为联系地震动危险性和结构需求预测的桥梁，在对某种地震下某种类型结构进行抗震设计时，选取合适地震动强度参数显得尤为重要。地震动强度参数与结构响应间的联系越强，结构概率危险性评估的结果越准确。目前，评估地震动强度参数适用性的原则有相关性、有效性、敏感性等[5]。相关性越高，说明选用此地震动强度参数估计结构响应时，可以用较少的地震动得到较大置信度的结果。有效性可以用地震动强度参数对结构响应预测的离散程度来评价。1.2.1.1常用地震动强度参数目前，国内外学者基于地震动时程或反应谱特性提出多种地震动强度参数，并对其适用性进行了评估。常用的地震动强度参数，根据参数中变量个数可以分为：1.标量型地震动强度参数（1）地震动峰值地震波的幅值可以用峰值加速度、速度和位移来表示。其中峰值加速度（PGA）是我国JGJ7-2010《空间网格结构技术规程》[6]中规定采用的地震动强度参数，日本采用峰值速度（PGV）为地震动强度指标，峰值位移（PGD）的应用相对较少。地震动峰值表达式如式1-1至1-3所示。（1-1）PGAumaxg（1-2）PGVmaxug（1-3）PGDumaxg式中，𝑢̈𝑔，𝑢̇𝑔和𝑢𝑔分别为地震波的加速度、速度和位移时程。（2）Arias强度基于理想弹塑性单自由度体系在动力响应中的总滞回能量，Arias[7]提出了加速度相关的地震动强度指标Arias强度，Arias强度表达式为：tf2IAgutdt（1-4）2g0式中，𝑡𝑓代表地震动的总持时。（3）累积绝对值采用与Arias强度相似的积分形式，Kramer[8]提出了两种地震动时程累积强度参数：4 第1章绪论tfCAVutdtg（1-5）0tfCAVutdtg（1-6）0（4）复合强度参数Riddel于2001年综合地震动幅值和持时特性提出三种复合型强度参数：1/3IPGAt（1-7）ad2/31/3IPGVt（1-8）vd1/3IPGDt（1-9）dd式中，𝑡𝑑为地震动中占比5%~95%的有效持时。（5）特征能量密度tf2SEDutdtg（1-10）0（6）谱参数该参数将对应于结构阻尼比5%、基本周期T处的地震动反应谱值定义为地震动强度参数𝑆𝑎(𝑇)、𝑆𝑣(𝑇)和𝑆𝑑(𝑇)。（7）谱强度参数1.5TMASIStdtpa（1-11）0.5T1.5TMVSIStdtv（1-12）0.5T1.5TMHIStdtpv（1-13）0.5T式中，T为隔震结构的隔震周期，𝑆𝑝𝑎(𝑡)、𝑆𝑝𝑣(𝑡)分别为伪加速度和伪速度反应谱值。（8）Housner强度Housner[9]认为：结构的破坏与地震动能量直接相关，因此基于地震波加速度时程提出地震动强度指标Housner强度，其表达式为：t212Putdtg（1-14）tt21t12.向量型地震动强度参数（1）[𝑆𝑎(𝑇1),𝜀]5 第1章绪论由于地面运动的复杂性，采用标量型地震动强度参数会忽略地震动中其他强度信息，Baker[10]考虑了同一场地条件下，相同震级和断层距的地震波的反应谱波形差距𝜀，提出向量型地震动强度参数[𝑆𝑎(𝑇1),𝜀]。（2）[𝑃𝐺𝐴,𝑀]式中，𝑀为记录地震波对应的地震震级。1.2.1.2适用于不同类型结构的地震动强度参数研究现状不同类型结构的基本特性差异较大，因此不同的地震动强度参数在各结构类型中的适用性分析是国内外学者关注的热点。叶列平[11]等学者以弹塑性单自由度和多自由度体系为研究对象，采用地震动强度参数和结构响应之间的相关程度为评估标准，统计分析了各种地震动强度参数的适用性。分析结果表明：以PGD为代表的位移型地震动强度参数只在长周期结构中有一定的适用性；以PGV为代表的速度型地震动强度参数同时适用于中、长周期两种结构中；以PGA为代表的加速度型地震动强度参数与短周期结构的响应紧密相连，其中加速度反应谱值𝑆𝑎(𝑇)表现出了在各种结构及结构响应中的通用性。陈波[12]等基于单自由度体系的研究，建立了钢筋混凝土框架模型，开展了地震动参数调整方法研究，提出了中长周期结构反应谱主控点区间，并指出：当强震下结构进入非线性时，需要充分考虑高阶振型和周期延长的影响。高层及超高层的普及使高层结构中地震动强度参数研究成为新的研究热点。对于超高层这种超长周期结构，卢啸[13]等学者的研究表明：PGA可作为预测超高层结构加速度响应的优选地震动强度指标。考虑到高层和超高层中高阶振型的影响不可忽略，周颖[14]和卢啸[15]基于谱加速度𝑆(𝑇)，先后提出适用于高层结构𝑎的多周期谱值点地震动强度参数。杨大彬、钟杰等学者以网壳为研究对象，提出了一系列适用于空间结构的地震动强度参数。网壳结构频谱分布密集，地震动通常激发结构多阶振型参与，为此，钟杰[16]以平均模态应变能系数为主导振型衡量指标，识别网壳结构的主导振型及其个数，提出考虑更多结构自振特性和地震动频谱成分的加速度谱值强度参数𝑆∗。范峰[17]等取Kiewitt球面网壳谐响应曲线峰值点对应频率为敏感频率𝑓，𝑎𝑝并用此敏感频率取代谱加速度强度𝑆𝑎(𝑇)中的基本频率𝑇，在对单层球面网壳进行大量一维地震时程分析的基础上，研究了敏感反应谱值𝑆𝑎(𝑓𝑝)在单层球面网壳中的适用性。丁阳[18]等基于一维地震动强度参数敏感反应谱值𝑆(𝑓)，考虑三向地𝑎𝑝震动对结构响应的影响，提出了基于三向敏感频率的单层球面网壳地震动强度参数𝑆𝑎,3𝑑，认为𝑆𝑎,3𝑑可较好地反映结构在地震动下的损伤程度，但未考虑结构进入非线性后周期延长的影响，同时也未考虑除谱加速度𝑆𝑎(𝑇)外的其他一维地震动参数与三向地震动的组合。6 第1章绪论目前，对于隔震结构的地震响应及危险性分析中，地震动峰值加速度PGA仍是应用最为广泛的地震动强度指标。白永利[19]在对近断层地震动下隔震结构易损性进行分析时，依然采用PGA表征地震动强度。近几年来，F.Mollaioli等学者开展了大量基底隔震结构的地震动强度参数适用性研究。研究结果表明地震动强度和隔震结构的响应之间的相关程度不仅受结构特性的影响，而且随地震动特性（频谱成分、断层类型等）的变化而波动。因此当分析隔震结构的强度指标有效程度时，必须考虑地震动特性的影响[20]。1.2.1.3适用于不同类型地震动的地震动强度参数研究现状近断层地震动是指震源距离较小，震源辐射中近场项和中场项等不可忽略的区域内的地震动。其主要特性有：①方向性效应。方向性效应是近场区域内地震动区别于远场地震动的重要特性，可分为向前和向后方向性效应，其是脉冲型地震的主要成因之一；②滑冲效应是指由上下盘之间的相对错动或滑动而产生的地面永久位移现象；③上盘效应。由于上盘场地比下盘场地离断层面更近，地震波在地表和断层间多次反射后，上盘场地的地震衰减速度比下盘慢；④显著的竖向地震动特性[21]。韩淼[22]等以两种钢框架基础隔震结构为研究对象，分析了多个近场地震动特征参数与结构响应间的相关性，选出表征近断层地震特性的主要参数，得出结果为：地震动输入能与结构的累积塑性损伤直接相关，其是影响结构动力响应的关键因素；不同自振周期的基础隔震周期随PGV/PGA的变化幅度大；地震动持时特性和地震动脉冲周期特性与结构响应间的关系尚未明确，有待进一步研究。地震动频谱特性和断层类型等震源机制联系密切，不同场地类别和震源机制对地震动强度参数的适用性影响较大。杜永峰[23]等基于基础隔震结构的双自由度体系简化模型，探讨了隔震结构响应及危险性分析中强度指标的选取问题，提出了中、长周期结构在Ⅰ类场地正断层及Ⅲ类场地走滑断层下应选用PGD等强度指标选用原则。近场脉冲型地震动和普通地震动对隔震结构（桥梁、框架结构等）中地震动强度指标适用性的研究是近些年来国内外学者关注的重点。Avsar[24]、F.Mollaioli[20]等从相关性和有效性的角度出发，对比分析了脉冲型和普通地震对地震动强度参数预测隔震桥梁、隔震框架结构结构响应的能力，结果表明：较普通地震动，脉冲型地震下强度参数有效性随隔震周期的延长而变差。Avsar基于隔震结构增量动力分析，考虑地震动下隔震结构周期延长的影响，提出了适用于传统隔震结构的速度谱强度参数𝑀𝑉𝑆𝐼。Hossein[25]等采用相对有效性的指标，对向量型地震动强度参数进行了分析，认为在脉冲型和普通地震动输入下，向量型7 第1章绪论地震动强度参数均能有效预测隔震结构的响应，但未考虑脉冲地震动的脉冲周期对结构响应的影响。1.2.2隔震结构动力响应研究现状隔震装置作为一种较为成熟的有效控制技术，广泛地应用于建筑结构和桥梁等结构。传统的隔震装置一般为二维隔震，最常用的隔震装置有橡胶支座和摩擦摆支座（FPB）。其中，橡胶支座主要有天然橡胶支座、叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座等，应用最为普遍的铅芯橡胶支座主要由橡胶、铅芯和薄钢板组成，在一定荷载范围内，铅芯发生理想弹塑性变形，而橡胶始终保持超弹性，因此其水平方向的力学属性可近似为双线性[26]；而摩擦摆支座由弧形滑动面和滑动块构成，其摩擦系数𝜇同时受轴力、滑动速度和温度等因素的影响[27]，无法采用简单的双线性模型模拟其力学性能。隔震结构在地震动下动力响应研究是近年来国内外学者的重点研究课题。部分学者致力于隔震支座及隔震结构的简化模型研究[28]，其他学者的研究则分析了地震动不确定性和隔震结构参数的变化对结构动力响应的影响。Mazza[29]等的研究结果表明，在近场地震动激励下，非对称隔震层的扭转效应和残余位移耦合现象不可忽略。其中隔震层的强度偏心在结构扭转效应中起着决定性因素，多个摩擦摆支座构成的隔震层扭转角度随着支座曲面半径的减小而增大，隔震层残余位移则与扭转效应截然相反。Tajammolian[30]采用单台站提取模型（SSP）[31]生成地震动的三向旋转成分，研究了近断层地震动中旋转成分和非对称隔震结构动力响应之间的关系，结果表明上部结构高宽比、细长比及质心偏移和结构响应间关系密切，其中质心偏移的影响最为显著，偏心的增大会引起基底剪力及顶层加速度等结构响应。隔震层参数的优选是隔震结构动力响应研究的一个重点。在隔震结构中，隔震支座参数的变化对结构性能影响较大，研究隔震层参数、地震动特性和结构响应三者之间的关系有利于隔震结构的设计。孔德文[32-33]等将摩擦摆支座进行精细化建模，讨论三维地震作用下摩擦摆支座参数对网壳结构抗震性能的影响规律，认为摩擦摆支座的隔震效果和地震强度成正比，并且存在最优摩擦系数取值区间，在此区间内，FPB隔震网壳的抗震性能较好。国外学者Castaldo等在大量参数分析的基础上，以隔震率为衡量标准，确定隔震框架中最优的归一化摩擦系数区间为0~2[34]。Karalar[35]等选用隔震支座基底剪力和位移为优化目标，研究不同脉冲地震动输入的隔震桥梁，分析了铅芯橡胶支座最优特征系数等LRB力学参数，提出了近场地震下桥梁最优隔震支座参数的选用公式。8 第1章绪论其中，最优阻尼是隔震层参数研究中的另一大关注点。在实际工程应用中，为了降低隔震层位移，工程师通常采用附加阻尼器的方法，这些阻尼器虽然能降低隔震层位移，但是却会显著加大楼层加速度和建筑结构的层间位移角。Providakis[36]、Lyan-YwanLu[37]等对比分析了近场地震和远场地震下附加阻尼器对隔震结构整体响应（层间位移角、隔震层位移等），得出：在远场地震输入下，附加阻尼器的安装会增大隔震结构的层间位移；近场地震下结构响应与之相反，附加阻尼器的使用能有效控制结构的楼面加速度。Kelly等基于考虑多阶模态耦合的隔震结构简化模型，从隔震机理的角度研究阻尼系数与结构响应间的关系，研究表明上部结构响应的增大和高阻尼隔震结构中多阶模态耦合有关[38]。近场脉冲型地震动包含高幅值、长周期的脉冲成分，隔震结构在遭遇此种地震动后结构可能发生破环，因此针对隔震结构，国内外学者使用概率地震需求分析法对其强震作用下的易损性进行了大量的计算与分析研究。基于串联隔震结构体系处于整体破坏时的地震易损性曲线，吴迪等的研究结果表明当隔震结构发生严重破坏时，上部结构发生严重破坏的概率仅为1.16%，隔震层破坏是影响隔震结构体系整体地震可靠度的关键因素[39]，因此有必要重点研究近场地震下隔震结构中隔震层位移响应及其破坏的问题。目前，对于隔震结构的位移响应分析，2004FEMA[40]条文中规定可采用等效线性化方法预测隔震结构等非线性单自由体系的峰值位移。Ryan[41]等使用时程分析法大量分析隔震结构中摩擦摆支座的最大位移响应，提出了设计公式，并与规范中规定的等效线性化方法对比，分析结果表明：对于多向地震激励下的传统隔震结构，采用等效线性化方法预测隔震层位移响应与其真实值之间的差距较大，基于无量纲化方法提出的设计公式是合理的位移预测方法。在前人研究的基础上，Castaldo[34]等综合使用2D简化模型运动方程的推导和无量纲方法，提出隔震结构位移响应的快速计算方法。由于摩擦摆支座失效模式的研究尚不成熟，因此一些研究者采用地震动分析模型为地震输入，对摩擦摆支座的失效模式进行了研究，提出一维地震下摩擦摆支座的碰撞谱和失效谱[42]。上述研究对象多集中于传统二维隔震结构，但由于三维隔震结构中竖向和水平隔震支座间存在明显的耦合效应[43]，无法采用原先的位移预测方法，并且多数学者仅提出一种预测方法或碰撞预测图，未定量地表示隔震结构位移响应。1.2.3三维隔震装置研究现状传统隔震结构通常只能有效抵抗水平地震动，因为在工程抗震领域内普遍认为水平地震动较竖向地震动更为显著。然而近几年来，安装在近场区域内的地震台站记录到大量由强烈竖向地震动组成的地震波，如2008年日本宫城县Nairiku9 第1章绪论地震中地震动台站IWTH25记录的地震动中竖向成分幅值高达4000gal。而随着观测传感器精度的提高和地震动数据库的丰富，学者们越来越清楚地认识到竖向地震动可能在结构变形甚至破坏中起决定性作用。目前，时程分析法和振动台实验被广泛应用于结构抗震分析。针对传统隔震结构，国内外学者综合使用时程分析法和振动台实验对其在竖向强震作用下的响应进行了大量的计算与分析研究。基于结构响应的分析方法（例如最大层间加速度、速度和绝对位移）通过对比不同结构及构件的特征反应来研究结构随动力荷载变化不断变化的全过程。Furukawa[44]基于抗震结构和传统隔震结构的全尺寸振动台实验，分析了传统隔震医院在竖向地震动下地震放大效应及其与抗震结构构件变形的区别，研究结果表明：抗震结构和传统隔震结构均出现竖向放大现象，其中抗震结构的水平与竖向加速度放大比为2.3:1，而传统隔震结构的水平与竖向放大比为1:6.5；采用多频率的白噪声为竖向激励，基底隔震结构的竖向基本动力响应特性发生明显改变，其响应放大效应不随白噪声基频和激励点位置的变化而改变；隔震结构中楼板中心放大效应远大于隔震垫及柱的作用，同时由于隔震层等效于多层楼板，楼板的放大效应是抗震结构中楼板放大效应的两倍，隔震结构中楼板竖向变形相对较大。因此从保护重要建筑中精密设备和震后修复等多个因素考虑，有必要对结构进行三维隔震。三维隔震支座是建筑结构实现三维隔震的主要方式，一般可分为两种类型：（1）一体式三维隔震支座；（2）复合式三维隔震支座。此种支座基于水平隔震装置的，额外加装竖向隔震装置。近几年来，国内外学者致力于三维隔震装置的研究与开发，提出了多种特性的三维隔震支座：（1）厚层橡胶支座。厚层橡胶支座由橡胶层和钢片叠加而成，其竖向隔震频率介于3~8Hz[46]，Kajima公司将其应用于两层混凝土实验室中。（2）GREB隔震装置。GREB隔震系统包括多组柔性螺旋弹簧和粘滞阻尼器等装置，安装此种隔震装置[47]的两栋加拿大住宅在1994年Northridge地震中表现了良好的抗震性能。（3）线缆型空气弹簧支座[48]。由于线缆型空气弹簧支座采用线缆强化后的空气弹簧同时提供水平和竖向恢复力，其具有占用空间小的特点，同时这也导致了其较其他复合型的三维隔震支座而言力学属性不均匀的缺点。（4）液压三维隔震支座[49]。液压型三维隔震支座的水平隔震层采用天然橡胶支座与阻尼器、铅芯橡胶支座或高阻尼橡胶支座等常用水平隔震支座，竖向隔10 第1章绪论震层由液压气缸和氮气蓄能器组成，其中氮气蓄能器提供液压气缸所需压力以使其表现出与空气弹簧相似的力学性能。1.3存在的问题已有的关于隔震结构地震动强度参数选用的研究，仅考虑单向地震动和地震动的部分特性，未考虑三向地震动和近场地震动脉冲周期等因素的影响。对于三维隔震网壳结构，三向地震较单向地震、长周期脉冲地震较短周期脉冲地震下结构响应存在较大差异。因此，有必要基于三向地震下三维隔震球面网壳地震动强度参数评估，研究适用于该结构的地震动强度参数及其选用原则。同时，现有的近场地震下大跨隔震结构性能研究多集中于结构动力特性，且针对输入结构地震动特性研究主要集中于地震动强度参数。而强震下隔震支座的位移响应及其破坏等问题是隔震结构动力响应中的关键问题[41-42]，目前对利用地震动要素和结构要素显性表示隔震层位移响应研究并不充分。1.4本文的主要工作针对上述问题，本文以三维隔震单层球面网壳为研究对象，对比分析了近场和远场地震下三维隔震单层球面网壳结构动力响应，同时围绕近断层地震动强度特性及其作用下三维隔震结构的隔震层位移响应开展研究，主要完成了以下三部分工作：（1）以三维隔震Kiewitt-8型单层球面网壳结构为研究对象，对比分析近场和远场两组地震动下网壳结构和隔震层的动力响应，分析结果表明三维隔震支座能有效降低球面网壳在两种地震下的加速度响应及其整体变形，但与远场地震相比，含有长周期脉冲的近场地震可显著增大隔震层位移。（2）对三维隔震Kiewitt-8型单层球面网壳结构输入长、短周期脉冲地震动和非脉冲型近场地震动，研究近场脉冲成分、脉冲周期和三向地震动等因素对常用地震动强度参数的适用性的影响，并探讨了三维隔震单层球面网壳地震动强度参数的选用方法；考虑结构三向异性，提出基于三向地震动的向量型强度参数[DMASIx,DMASIy,Saz]，并从相关性和有效性两个方面对其进行评价。（3）基于地震动强度参数，使用无量纲化参数分析方法研究各结构参数对三维隔震支座峰值位移的影响；在统计分析大量模拟数据的基础上，拟合得出近场地震下三维隔震单层球面网壳隔震层位移预测公式，并对公式的准确性进行了验证。11 第1章绪论12 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析2.1引言近场地震动具有长周期脉冲和大位移等特性，其与远场地震动存在显著的不同，当隔震结构遭遇此种地震动后，由于上部结构和隔震层响应存在放大效应，结构可能发生破坏，因此有必要研究三维隔震大跨空间结构在近场地震动下的动力响应。本章以三维隔震后Kiewitt-8型单层球面网壳结构为研究对象，使用远场与近场两组地震动，对比分析两组地震动激励下结构的动力响应，并研究了隔震支座参数对结构动力响应的影响。2.2计算模型及地震动记录2.2.1杆件、节点及隔震支座计算模型合理的有限元模型是研究三维隔震单层球面网壳地震动力响应的前提。杆件和节点是单层球面网壳结构的基本构件，同时隔震装置是隔震结构的重要构成部分，对网壳结构构件和隔震装置基本力学性能的准确模拟是建立整个三维隔震网壳结构计算模型的核心问题，也决定了数值模拟结果的可靠性。因此，在考虑计算效率的前提下，有必要选择合理有效的杆件、节点及隔震装置计算模型。地震作用是往复的随机荷载，在地震动激励下，下部隔震支座通过往复滞回变形耗能，单层球面网壳的构件（杆件和节点）经历反复的加卸载过程，其受力和变形过程复杂多变。杆件作为网格结构的基本构件，要同时承受轴力、剪力和弯矩的共同作用，受力状态复杂。选择合理的杆件模型准确模拟杆件在地震作用下的力学性能，是得到地震作用下网壳结构响应的关键因素。网壳的杆件模型包括基于有限元的通用梁单元模型、纤维模型和考虑杆件失稳的马歇尔（Marshall）模型等，不同模型在模拟精度、效率等方面有不同的特点。13 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析其中，通用梁单元模型利用截面积分点和高斯积分法构建模型整体刚度矩阵。由于隔震结构在地震动作用下结构基本处于弹性状态[50]，杆件截面刚度为常数，采用该模型有较高的模拟精度。但在强震作用下，尤其是频谱成分与结构隔震周期相近的近场脉冲地震，杆件在轴力和杆端弯矩的共同作用下，杆端可能率先进入塑性，使用单积分点的通用梁单元模型精度会有所降低，因此，将杆件划分为多个单元以提高计算精度。单层网壳兼有杆系结构和壳体结构的受力特点，杆件承受轴力、剪力和弯矩的共同作用，导致起连接作用的节点处于复杂受力状态。与采用螺栓球节点的双层球面网壳不同，单层球面网壳节点处承受弯矩，因此使用具有较强转动刚度的焊接空心球节点。单层球壳中焊接空心球节点在静力和动力作用下性能的研究已相当充分。在动力荷载下，节点承受往复荷载作用，受力状态复杂，齐麟[51]以已有空心球节点实验数据为基础，建立有限元计算模型，考虑球节点在强震作用下反复经历的加载-卸载过程及破坏过程，研究了其在循环荷载下荷载-位移变化规律及塑性变形过程，统计回归得出焊接空心球节点力学模型；分析地震动下考虑球节点力学模型的精细化单层网壳结构响应，结果表明，当网壳经历地震作用时，作用在空心球节点的压力不会超过杆件失稳时对应的压力值。隔震支座作为隔震结构中重要构成部分，通过往复滞回吸收地震动中能量。在现有隔震支座中，铅芯橡胶支座（LRB）作为最为常用的一种被动控制装置，主要由橡胶、铅芯和薄钢板组成，其力学性能主要取决于铅芯和橡胶两种材料的力学性能和组合情况。铅芯橡胶支座的力学模型主要有Bouc-Wen模型、光滑双线性模型和双线性模型等，不同的模型对模拟精度、结构响应是否突变等有不同程度的影响。迄今为止，大量学者已对比分析不同LRB本构模型对结构响应的影响。Mavronicola[52]选用隔震层最大相对位移、最大层间位移角及顶层绝对加速度为参考指标，研究特定结构参数和地震参数下，Bouc-Wen模型、双线性模型对隔震建筑物结构响应的影响，研究结果表明，隔震结构响应受双线性模型弹塑性突变点影响微小。综上所述，在同时考虑计算精度和计算效率两种因素的基础上，杆件采用通用梁单元模拟，节点采用刚性节点模拟，铅芯橡胶支座采用双线性本构模型进行模拟，碟簧、液压支座等竖向隔震装置可采用单线性本构模型进行模拟。2.2.2有限元模型的建立逐次使用有限元软件Ansys、设计软件3D3S和有限元软件Abaqus建立三维隔震单层球面网壳结构有限元模型。首先，使用Ansys建立单层球面网壳的几14 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析何模型，然后，将几何模型导入Abaqus中建立三维隔震单层球面网壳的有限元计算模型。2.2.2.1几何模型的建立使用有限元软件Ansys建立无初始缺陷的单层球面网壳几何模型。编写脚本文件，实现凯威特型球面网壳的快速建模功能，用户通过设定网壳的矢高、跨度、环杆圈数和环向分割的份数快速建立几何模型。该脚本生成的单层球面网壳几何模型如图2-1所示。图2-1球面网壳的几何模型2.2.2.2有限元模型的建立及后处理使用结构设计软件3D3S和有限元软件Abaqus建立结构的有限元模型，有限元模型中考虑结构的整体初始缺陷。分三步建立有初始缺陷的结构有限元模型：（1）单层球面网壳杆件截面设计；（2）考虑初始缺陷的单层球面网壳结构几何模型；（3）在以上模型的基础上添加隔震层，构建三维隔震单层球面网壳结构有限元模型。首先使用结构设计软件3D3S，考虑恒载、活载、风载、温度作用和地震作用等荷载组合效应，设计并优选单层球面网壳杆件截面。然后使用有限元软件Abaqus建立考虑初始缺陷的网壳有限元模型，建模流程如图2-2所示。在有限元模型中，杆件采用B31单元，节点定义为刚接。由Abaqus建立的球壳有限元模型如图2-3所示。15 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析图2-2球面网壳有限元模型建模流程图2-3球面网壳有限元模型最后，在施加初始缺陷后球面网壳的外环杆件下设置隔震支座以建立三维隔震单层球面网壳结构体系，具体建模流程如图2-4所示。使用Abaqus接触模块中Connector模拟铅芯橡胶支座双线性本构模型，与建立多向弹簧单元相比，考虑多向地震动耦合效应的Connector单元与支座实体单元之间的差距更小。图2-4三维隔震球面网壳有限元模型建模流程16 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析综合使用python语言和origin统计绘图软件对数值模拟的结果进行后处理，其流程如图2-5所示。图2-5ODB结果后处理流程其中python命令和origin软件实现的功能分别为：（1）python命令：批量打开ODB文件；自动提取相关数据，并按命令对数据进行初步处理；将数据初步处理结果写入TXT文件；自动关闭ODB文件。（2）origin软件：统计分析相关结构参数与响应参数之间的关系；采用最小二乘等统计学方法构建预测模型；绘制数据图表，丰富结果表现形式。2.2.3计算模型选取K8型单层球面网壳（图2-6）为计算模型，结构跨度为90m，矢跨比为1/5，由3026根杆件组成。杆件可分为径杆、肋杆、环杆及斜杆，其截面尺寸先由钢结构设计软件3D3S设计优化，后用有限元分析软件ABAQUS对单层球面网壳整体稳定性验证获得，杆件截面尺寸见表2-1。计算时采用理想弹塑性假定，在有限元软件ABAQUS/Standard中建立有限元模型，杆件采用两节点三维线性梁单元B31模拟，节点为刚性连接。材料屈服强度为235MPa，弹性模量为2.06×105MPa。结构阻尼比为0.02；初始缺陷分布取网壳结构的1阶屈曲模态，幅值取跨度L的1/300，屋面荷载为1.50kN/m2。三维隔震单层球面网壳结构通过周边支承的方式实现隔震，上部单层球面网壳与下部三维隔震支座之间的支承条件为三向铰支。表2-1单层球面网壳杆件编号G1G2G3G4G5G6杆件截面Φ140*8Φ159*8Φ159*10Φ168*5.5Φ159*7.5Φ180*617 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析（a）平面图（b）侧视图图2-6计算模型选用复合型三维隔震支座（图2-7）为三维隔震单层球面网壳结构的隔震层，竖向隔震层刚度采用线性本构和粘滞阻尼，线性刚度k为461kN/m，粘滞阻尼系数为20%；水平隔震支座采用双线性本构模型，参考规范GB20688.3-2006《橡胶支座》[53]，水平隔震支座屈服前后刚度比k1/k2为10，其特征力比参数Q/W取为15%、20%和25%，水平隔震周期取为1s、1.3s和1.5s，竖向隔震周期取为1.25s，竖向阻尼系数取为20%。图2-7复合型三维隔震支座2.2.4地震动记录本章采用FEMA695报告中建议的12条远场地震动（表2-2）和12条近场脉冲型地震动（表2-3）对计算模型进行动力响应对比分析，所选用的每组地震动中均包含9条相同地震下记录到的地震动。18 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析表2-2远场地震动记录编号时间地震名称台站名称震级F11979ImperialValley-06Delta6.53F21979ImperialValley-06ElCentroArray#116.53F31989LomaPrietaCapitola6.93F41989LomaPrietaGilroyArray#36.93F51995Kobe,JapanNishi-Akashi6.90F61971SanFernandoLA-HollywoodStorFF6.61F71992LandersYermoFireStation7.28F81994Northridge-01BeverlyHills-14145Mulhol6.69F91987SuperstitionHills-02ElCentroImp.Co.Cent6.54F101999Kocaeli,TurkeyArcelik7.51F111999Chi-Chi,TaiwanTCU0457.62F121999Duzce,TurkeyBolu7.14表2-3近场地震动记录编号时间地震名称台站名称震级N11979ImperialValley-06ElCentroArray#66.53N21979ImperialValley-06ElCentroArray#76.53N31980Irpinia,Italy-01Sturno(STN)6.90N41989LomaPrietaSaratoga-AlohaAve6.93N51992Erzican,TurkeyErzincan6.69N61992CapeMendocinoPetrolia7.01N71992LandersLucerne7.28N81994Northridge-01RinaldiReceivingSta6.69N91994Northridge-01Sylmar-OliveViewMedFF6.69N101999Kocaeli,TurkeyIzmit7.51N111999Chi-Chi,TaiwanTCU0657.62N121999Duzce,TurkeyDuzce7.1419 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析2.3远近场地震下三维隔震球面网壳减震效果对比分析本节采用单层球面网壳动力响应参数为减震效果评价指标，研究隔震支座参数对三维隔震单层球面网壳中上部结构响应的影响。2.3.1评价指标由于网壳结构中杆件和节点数目多，无法对其一一对比分析，因此定义2个评价指标α𝑎（节点最大加速度减小系数）和α𝑓（杆件最大动轴力减小系数）来表征三维隔震结构的减震效果，其具体表达式为：αaaisoaniso/aniso（2-1）αffisofniso/fniso（2-2）式中，𝑎𝑖𝑠𝑜、𝑎𝑛𝑖𝑠𝑜分别为三维隔震结构、未隔震结构中单层球面网壳的节点最大加速度响应；𝑓𝑖𝑠𝑜、𝑓𝑛𝑖𝑠𝑜分别为三维隔震结构、未隔震结构中单层球面网壳的杆件最大动轴力响应。α𝑎和α𝑓值越大，表明结构减震效应越好。2.3.2隔震周期对减震效果的影响选取特征力比为20%的3种不同水平隔震周期（1s、1.3s、1.5s）的三维隔震支座，计算了远场与近场两组地震动下三维隔震单层球面网壳和未隔震单层球面网壳动力响应及减震系数α𝑎、α𝑓。水平隔震周期对结构减震系数α𝑎的影响如图2-8所示，以表2-1中G1杆件为例，其动轴力减小系数α𝑓随水平隔震周期的变化如图2-9所示，其余杆件轴力减小系数满足相同的变化规律。（a）近场地震动-α𝑎(b)远场地震动-α𝑎图2-8水平隔震周期对减震系数α𝑎的影响20 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析（a）近场地震动-α𝑓(b)远场地震动-α𝑓图2-9水平隔震周期对减震系数α𝑓的影响由图2-8和2-9可知，三维隔震球壳在近场和远场地震动下均有较高的减震率，如12组近场地震下结构的节点加速度减小系数均大于0.6，这是因为隔震层可以有效降低上部球壳中地震波高频成分的输入；随着水平隔震周期的增加，大部分地震动下隔震结构减震率也增加，但部分近场地震下结构杆件减小系数α𝑓随周期变化幅值大，结构减震率低，因为近场地震含有长周期脉冲成分，当隔震周期与脉冲周期相近时，结构动力响应有明显的放大现象。2.3.3隔震支座特征力比对减震效果的影响特征力比为水平隔震支座双线性本构中位移为零时对应的恢复力与隔震支座所承受球面网壳自重的比值，随着特征力比的增加，支座刚度增大，支座等效阻尼也增大。控制水平隔震支座隔震周期为1.3s，计算3种水平特征力比（15%、20%和25%）对结构减震效果的影响，结构减震系数α𝑎和G1杆件动轴力减小系数α𝑓随水平特征力比的变化分别如图2-10和2-11所示。（a）近场地震动-α𝑎(b)远场地震动-α𝑎图2-10水平隔震支座特征力比对减震系数α𝑎的影响21 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析（a）近场地震动-α𝑓(b)远场地震动-α𝑓图2-11水平隔震支座特征力比对减震系数α𝑓的影响由图2-10和2-11可知，随着特征力比的增加，由于水平隔震周期变短，传递至上部结构中的地震动能量增大，上部结构变形的增加导致了近场和远场地震下结构加速度和杆件动轴力减震系数的减小。但在不同特征力比下，结构加速度和杆件轴力响应均有较高的降低率，表明采用三维隔震装置可有效降低上部球壳中杆件变形及其整体动力响应。2.4远近场地震下三维隔震球面网壳隔震层位移响应对比分析隔震层是隔震结构的重要构成部分，本节采用隔震层位移为隔震支座动力响应分析对象，对比分析近场与远场地震下隔震周期、支座特征力比对隔震支座最大位移的影响。2.4.1隔震周期对隔震支座位移的影响三维隔震单层球面网壳水平和竖向隔震支座随水平隔震周期的变化分别如图2-12和2-13所示。22 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析（a）近场地震动(b)远场地震动图2-12水平隔震周期对水平隔震支座位移的影响（a）近场地震动(b)远场地震动图2-13水平隔震周期对竖向隔震支座位移的影响由图2-12和2-13可知，水平隔震支座最大位移随水平隔震周期变化显著，水平隔震支座刚度越大，水平隔震支座位移越小；由于竖向隔震支座位移由水平地震下摇摆位移和竖向地震下单向位移构成，其中摇摆位移与水平隔震层减震率相关，同时水平和竖向地震动间存在相位角差，竖向隔震支座位移随水平隔震周期变化无明显规律。2.4.2隔震支座特征力比对支座位移的影响三维隔震单层球面网壳水平和竖向隔震支座位移随水平支座特征力比的变化分别如图2-14和2-15所示。由图2-14和2-15可知，由于水平等效隔震周期随着等效力比的增加而减小，特征力比和水平隔震周期对隔震支座（水平和竖向）最大位移的影响（图2-12和2-13）成反比关系。23 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析（a）近场地震动(b)远场地震动图2-14水平特征力比对水平隔震支座位移的影响（a）近场地震动(b)远场地震动图2-15水平特征力比对竖向隔震支座位移的影响2.4.3远近场地震下结构支座最大位移对比控制水平隔震周期为1.3s，特征力比为20%，在地震相同的4条近场记录地震动（N1、N2、N4和N11）和4条远场记录地震动（F1、F2、F4和F11）输入下，三维隔震球壳水平和竖向隔震支座位移对比如图2-16所示。由图2-16可知，由于近场地震动中包含长周期脉冲成分，近场地震下三维隔震球壳水平和竖向隔震支座位移响应均高于远场地震下对应响应，尤其是当脉冲周期与结构隔震周期相近时，如Imperial-Valley2地震组中近场地震动下结构支座位移为远场地震下响应的2.5倍以上。24 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析（a）水平隔震支座位移(b)竖向隔震支座位移图2-16近场和远场地震下三维隔震支座位移对比2.5本章小结本章使用近场和远场两组地震动，以上部结构减震效果和隔震层最大位移为评价标准，研究了隔震机制对三维隔震Kiewitt-8型单层球面网壳动力响应的影响，并对近场和远场地震动下结构动力响应进行了对比，主要结论如下：（1）三维隔震支座可有效降低上部球壳中的地震波高频成分的输入，与非隔震单层球面网壳相比，近场和远场地震下隔震后结构加速度响应及其整体变形均有明显降低，最高减震率为80%，但当近场地震脉冲周期与结构隔震周期相近时，结构减震率降幅明显；水平隔震周期和特征力比对三维隔震单层球面网壳减震效果影响显著。随着隔震周期的增加，结构减震率增加，而随着特征力比的增加，结构减震率减小。（2）在近场和远场两种地震激励下，三维隔震球面网壳隔震层位移响应随同一隔震支座参数的变化规律相同，其中隔震周期和特征力比对结构隔震层位移的影响成反比关系；但与远场地震动相比，含有长周期脉冲的近场地震可显著增加隔震层位移响应。25 第2章远近场地震下三维隔震单层球壳动力响应对比分析26 第3章适于近场地震下三维隔震单层球壳地震动强度参数分析第3章适于近场地震下三维隔震单层球壳地震动强度参数分析3.1引言与远场地震动相比，近场脉冲地震下三维隔震单层球面网壳结构的动力响应显著不同，同时，不同类型结构对地震动强度参数预测结构响应能力影响较大。但目前国内外学者对适用于三维隔震大跨空间结构地震动强度参数选用的研究尚有不足，尤其是在近场地震下。本章以三维隔震Kiewitt-8型单层球面网壳结构为研究对象，输入特性不同的三组（长短脉冲、非脉冲）近场地震动，对比分析了近场脉冲特性对地震动强度参数预测隔震结构响应能力的影响，得出适用于三维隔震单层球面网壳结构的近场地震动强度参数及其选用原则。3.2计算模型及地震动记录3.2.1计算模型本章选用2.2.3节中的Kiewitt-8型单层球面网壳为上部结构计算模型，模型参数见2.2.3节。三维隔震支座中竖向隔震支座刚度k取为461kN/m，粘滞阻尼系数为20%；水平隔震支座屈服前后刚度比k1/k2取为10，特征力比参数Q/W为15%，屈服后刚度为276kN/m。通过式（3-1）和（3-2）[54]可求得隔震支座的隔震周期与等效阻尼比，具体信息见表3-1。mT2（3-1）k24QDDy（3-2）eff22kDeff式中，D为隔震支座最大设计位移，𝑘𝑒𝑓𝑓为等效隔震周期，由式𝑘𝑒𝑓𝑓=𝑘2+𝑄/𝐷确定，𝑘2为水平隔震支座屈服后刚度或竖向隔震支座线性刚度。27 第3章适于近场地震下三维隔震单层球壳地震动强度参数分析表3-1三维隔震支座信息三维隔震支座T𝛽𝑒𝑓𝑓水平支座1.44s16.8%竖向支座1.11s20.0%3.2.2地震动记录3.2.2.1地震动筛选原则地震动的筛选一般遵守以下7条原则：1.地震震级单层球面网壳结构在小震级的地震动下通常只会出现非结构构件的破坏，不会导致整体倒塌，但小震级的地震也会产生高强度地震动或隔震结构周期相近的加速度型脉冲地震[55]，其对隔震后单层球面网壳结构影响较大。而震级较大地震产生的地震动强度较高，持时较长，释放能量较大，影响区域也较大，因此可以导致较大的结构响应。所以当研究近场区域内隔震结构的地震响应时，要选用不同震级的地震动。2.震源机制震源机制为走滑和逆冲断层。这是美国加利福尼亚及西部地区绝大多数浅源地震的典型震源机制，几乎没有其他震源机制的强震记录。3.场地类型根据美国建筑结构规范IBC2006，场地可以分为六类：A和B类为坚硬的岩石；C类（软岩石）和D类（硬土）场地上的强震记录较多；E类和F类是软弱土场地，地震时容易发生地基损坏而不是结构破坏。因此在一般情况下对建筑结构进行抗震分析时，可以将E类和F类排除在外。4.震中距离尽管目前如何区分近场和远场地震动并没有明确的准则，但大部分学者以震中距20km为近场和远场地震动的分界[21]。5.地震发生区域地球上主要有三大地震动活动带：环太平洋火山地震带、地中海-印度尼西亚地震带和洋脊地震带。地震记录仪在各地震带分布并不均匀，有些地区的强震记录仪较多，因此该地区发生地震时，得到的强震记录较多，如我国台湾1999年发生的集集地震；而有些地区的强震记录仪较少，因此该地区发生地震时，得到的强震记录较少。因此为了得到更为广泛适用的地震动数据库，避免地震记录对28 第3章适于近场地震下三维隔震单层球壳地震动强度参数分析某个区域地震事件的依赖，选取不同区域地震动，同时避免在同一地震事件中选用过多的地震动记录。6.地震强度（竖向）为了排除峰值过小，对结构破坏影响不大的地震动，选用PGA大于0.2g，并且PGV大于15cm/s的地震波。同时为了考虑近场区域地震动中𝑃𝐺𝐴𝑣/𝑃𝐺𝐴𝑙>1这一特性，选择部分相关地震动。7.脉冲周期脉冲地震动分析模型是采用有限的地震动特征参数公式化表示地震动时程的一种地震动简化模型。其符合以下三个特点[56]：（1）合成地震波应该采用简单的参数表达式形式，式中参数需有明确的物理意义。（2）合成地震波应该足以模拟大量记录地震波。（3）合成地震波（数学公式）的傅里叶谱和反应谱公式形式为闭合型，因为从计算精度和计算效率角度出发，采用闭合形式的表达式可以快速确定结构响应。在现有脉冲地震动分析模型中，满足上述三点且被广泛使用的分析模型有Gabor波、Berlage波、Ricker波[57]和考虑持时特性、相位角差的MP（MathematicalRepresentation）波[58]。不同分析模型在公式形式、物理参数个数及模拟精度等方面有不同的特点。MP波分析模型基于Gabor波模型的基本形式，使用表达式cosine替代高斯包络，同时保留谐波震荡的部分，其表达式如下：12fpvtAttftt1coscos200p（3-3）2式中，A为地震动速度时程幅值；𝑓𝑝为脉冲波的卓越频率；𝛾为脉冲波的圈数；𝛼为初始相位角；𝑡0为脉冲波起始时间。基于地震动分析模型的小波分析方法已被广泛应用于信号处理和数据分析。Baker[59]利用速度时程中的小波分析方法判断地震动是否包含脉冲成分；Vassilious和Makris[60]选用MP波地震动分析模型为母函数，然后附加不同加权函数从地震波中提取出脉冲地震动，其表达式如下：tt0C,,tf0p,w,fp,ft,fp,dt（3-4）式中𝑓(𝑡)为记录地震动加速度或速度时程；𝜓(∙)为小波分析的母函数；𝑤(𝛾,𝑓𝑝,𝛼)为加权函数。以1978年Iran地震动为例，采用小波分析方法提取后的记录地震动中脉冲成分如图3-1所示。29 第3章适于近场地震下三维隔震单层球壳地震动强度参数分析图3-1脉冲地震识别及提取在地震工程领域中，已提出的地震动分析模型的准确性是学者们关注的问题，大量学者对其可靠性进行了评估。E.Garini[61]在对Ricker波和MP波两种地震动分析模型的适用性进行评估时，以四种理想动态系统（弹性单自由度振子、理想弹塑性单自由度振子、水平摩擦面上的刚块和斜面上的刚块）为研究对象，比较两种分析模型和对应记录地震动下结构响应，分析结果表明，Makris提出的脉冲指示函数在四种结构体系中适用性和准确性最佳。A.Rodriguez[62]建立由弯曲梁和剪切梁间相互连接构成的多层结构数值模型，研究了MP波中持时、频率、幅值等参数与多自由度的结构体系的结构层间变形间的关系，并验证了在分析模型作用下结构响应的可靠性，得出了在考虑一定数量的模态下，MP波可以代表记录地震动。综上所述，从准确性和可靠性角度出发，地震动分析模型采用MP波，地震动脉冲成分采用Makris提出的小波分析法提取。基于上述筛选7条选用原则，选取PacificEarthquakeEngineeringResearch[63]和StanfordPulseClassification[64]中不同场地条件下的41条近场脉冲地震动记录和26条近场非脉冲地震动记录，其基本可以涵盖中硬场地上可能发生的地震。典型的一对脉冲.vs.非脉冲地震动如图3-2所示。图3-2脉冲.vs.非脉冲地震动30 第3章适于近场地震下三维隔震单层球壳地震动强度参数分析3.2.2.2地震动筛选结果基于上述筛选原则，采用与地面峰值速度PGV和地震能量相关的脉冲系数以保证每组记录脉冲地震动都包含主控脉冲波[65]；采用小波分析方法识别脉冲地震动的脉冲周期将脉冲地震动分为两组：脉冲周期比结构隔震周期长的长周期脉冲地震动（T𝑝/T𝑖𝑠𝑜>1，表3-2），脉冲周期比结构隔震周期短的短周期脉冲地震动（T𝑝/T𝑖𝑠𝑜<1，表3-3）。所选用的26条近场非脉冲地震见表3-4。表3-2短周期脉冲地震动记录时间地震名称台站名称震级断层距离脉冲周期1979CoyoteLakeGilroyArray#65.73.11.2s1980MammothLakesLongValleyDam5.916.01.0s1983CoalingaCoalinga-14th5.210.90.44s1984MorganHillCoyoteLakeDam-SA6.20.51.0s1984MorganHillGilroyArray#66.29.81.2s1986SanSalvadorGeotechInvestigCenter5.86.30.8s1987WhittierNarrowsDowney-CoMaintBldg6.020.00.9s1989LomaPrietaLosGatos-LexingtonDam6.95.01.2s1994NorthridgeNewhall-FireSta6.75.91.3s1994NorthridgeRinaldiReceivingSta6.76.51.2s1995Kobe,JapanTakatori6.91.41.4s1997NorthwestChinaJiashi6.117.71.0s1999Chi-Chi,TaiwanTCU0766.214.60.9s2000YountvilleNapaFireStation#35.011.50.7s2011Christchurch,NZChristchurchResthaven6.25.11.1s表3-3长周期脉冲地震动记录时间地震名称台站名称震级断层距离脉冲周期1979ImperialValleyECCountyCenterFF6.57.34.4s1979ImperialValleyElCentro-MelolandGA.6.50.13.2s1979ImperialValleyElCentroArray#46.57.14.7s1979ImperialValleyElCentroArray#56.54.04.1s1979ImperialValleyElCentroArray#66.51.43.7s1979ImperialValleyElCentroArray#76.50.64.3s1981WestmorlandParachuteTestSite5.916.74.3s31 第3章适于近场地震下三维隔震单层球壳地震动强度参数分析表3-3（续）时间地震名称台站名称震级断层距离脉冲周期1987SuperstitionHillsParachuteTestSite6.50.92.4s1992CapeMendocinoPetrolia7.08.22.9s1992LandersLucerne7.32.25.1s1994NorthridgeJensenFilterPlantAB6.75.43.1s1994NorthridgeJensenFilterPlantGB6.75.43.5s1994NorthridgeNewhall-WPicoCanyon6.75.42.9s1994NorthridgeSylmar-ConverterSE6.75.23.5s1994NorthridgeSylmar-OliveViewMFF6.75.32.4s1995Kobe,JapanTakarazuka6.90.31.8s1999Chi-Chi,TaiwanCHY0067.69.72.5s1999Chi-Chi,TaiwanCHY1017.69.95.3s1999Chi-Chi,TaiwanTCU0497.63.710.2s1999Chi-Chi,TaiwanTCU0537.65.913.1s1999Chi-Chi,TaiwanTCU0687.60.312.2s1999Chi-Chi,TaiwanTCU0757.60.94.9s1999Chi-Chi,TaiwanTCU0767.62.74.7s1999Chi-Chi,TaiwanTCU0877.66.910.4s1999Chi-Chi,TaiwanTCU1027.61.59.6s1999Chi-Chi,TaiwanTCU1037.66.18.7s表3-4非脉冲地震动记录时间地震名称台站名称震级断层距离1940ImperialValley-02ElCentroArray#96.96.11972Nicaragua-01Managua,ESSO6.24.11976Gazli,USSRKarakyr6.85.51979ImperialValleyAeropuertoMexicali6.50.31979ImperialValleyAgrarias6.50.61979ImperialValleyBondsCorner6.52.61979ImperialValleyChihuahua6.57.31980Irpinia,Italy-01Calitri6.917.61983Coalinga-01PleasantValleyP.P.6.48.41985Nahanni,CanadaSite16.79.632 第3章适于近场地震下三维隔震单层球壳地震动强度参数分析表3-4（续）时间地震名称台站名称震级断层距离1985Nahanni,CanadaSite26.74.91986N.PalmSpringsWhitewaterTroutFarm6.16.01986ChalfantValley-02ZackBrothersRanch6.27.61989LomaPrietaBRAN6.910.71989LomaPrietaCorralitos6.93.81992CapeMendocinoCapeMendocino7.06.91994NorthridgeLA-SepulvedaVAHospital6.78.41994NorthridgeNorthridge-SaticoySt6.712.11994NorthridgePacoimaKagelCanyon6.77.31999Kocaeli,TurkeyYarimca7.54.81999Chi-Chi,TaiwanTCU0677.60.61999Chi-Chi,TaiwanTCU0717.65.81999Chi-Chi,TaiwanTCU0727.67.11999Chi-Chi,TaiwanTCU0747.613.41999Chi-Chi,TaiwanTCU0847.611.52002Denali,AlaskaTAPSPumpStation#107.92.73.3脉冲地震下地震动强度参数分析3.3.1强度参数及其评估方法3.3.1.1采用的地震动强度参数本节选取了12个常用的地震动强度参数（表3-5）进行对比评估。根据其来源，表中地震动强度参数（IntensityMeasure）可以分为三组：加速度相关地震动强度参数、速度相关地震动强度参数和位移相关地震动强度参数；如峰值加速度PGA为加速度相关地震动强度参数；根据其参数构成因素，表中地震动强度参数可以分为两组：结构特性无关地震动强度参数、结构特性相关地震动强度参数；如地震波峰值速度PGV为结构特性无关强度参数，而Sa为基本周期为T、阻尼系数为5%的单自由体系峰值加速度响应，其为考虑了结构特性的强度参数。33 第3章适于近场地震下三维隔震单层球壳地震动强度参数分析表3-5地震动强度参数组别IM定义PGA峰值加速度Ia复合加速度强度加速度相关Sa加速度谱值MASI伪加速度谱强度PGV峰值速度Iv复合速度强度速度相关Sv速度谱值MVSI速度谱强度MHI伪速度谱强度PGD峰值位移位移相关Id复合位移强度Sd位移谱值3.3.1.2强度参数评估方法采用四种地震需求参数（EDP），其包括：单层球面网壳最大顶点加速度MTA，单层球面网壳最大顶点位移MTD；三维隔震支座最大水平位移MLBD，三维隔震支座最大竖向位移MVBD。考虑到强震下隔震后单层球面网壳结构大部分杆件处于弹性阶段，本文不采用网壳结构损伤累积型响应参数，选用的前两种结构参数MTA和MTD代表单层球面网壳在地震下结构损伤程度，后两种结构参数MLBD和MVBD为隔震层损伤指标。强度参数与地震需求参数间通常遵循幂指数关系[24-25]：bb1iEDPaIMIM（3-5）1i式（3-5）等号两边取对数可得：lnEDPlnablnIM11blnIMii（3-6）式中，a、bi为参数间线性拟合值，其和结构特性相关；i为地震动维数或向量型强参的因子个数。判断地震动强度参数的适用性，可依据以下两方面：（1）相关性。使用相关系数Adj.R2来表示地震动强度参数IM与结构响应参数EDP的关联程度。Adj.R2越接近于1，两者的线性关系越密切，当0.7