大跨空间结构广泛应用于机场、火车站与会展中心等大型公共建筑,单层球面网壳兼有杆系结构与薄壳结构的优点与特性,是大跨空间结构的主要形式之一。强震观测表明地震作用下大跨空间结构会产生不同程度的损伤与破坏,严重威胁人民生命和财产安全。已有隔震技术主要适用于水平隔震,单层球面网壳跨度大竖向周期长,传统隔震装置难以满足其竖向隔震设计要求;目前单层球面网壳杆件滞回模型在满足计算效率的同时无法兼顾计算精度,而准确计算隔震前后结构的响应是分析三维隔震单层球面网壳隔震性能的基础,因此有必要进一步研究适用于单层球面网壳的三维隔震装置与杆件滞回模型。本文在国内外三维隔震体系研究成果的基础上研制了竖向变刚度三维隔震装置,开展了竖向变刚度三维隔震单层球面网壳高效数值模型、地震作用下三维隔震单层球面网壳隔震性能等研究,主要研究工作和创新成果如下:(1)研制了适用于单层球面网壳的竖向变刚度三维隔震装置(以下简称装置)。装置由用于水平隔震的铅芯橡胶支座和用于竖向隔震的组合液压缸构成;推导了组合液压缸不同阶段的刚度与位移计算公式,通过正弦激励试验与振动台试验研究了组合液压缸的力学性能、滞回性能与隔震效果;分析了不同参数对装置摩擦力和阻尼力的影响,验证了变刚度模型与不同阶段计算公式的准确性。结果表明:通过改变不同阶段参与工作液压缸的种类与数量,可以在减小装置竖向高度的同时实现较长的竖向隔震周期(超过1s)与变刚度特性;所推导的各阶段刚度与位移计算公式可以准确计算组合液压缸的参数,各阶段刚度、控制阈值与隔震位移的最大误差为4.9%;正弦激励下装置竖向滞回曲线与计算所得曲线吻合,装置对加速度隔震效果较好,平均减震率为41.2%。(2)基于Beam单元与Connector单元建立了竖向变刚度三维隔震单层球面网壳高效数值模型。基于所研制装置的正弦激励试验与振动台试验结果,提出了其考虑摩擦力与阻尼力的滞回模型;建立了杆件轴向滞回理论模型,引入参数考虑杆件局部屈曲和整体失稳对其承载力的影响,建立了杆件高效滞回模型,并通过试验予以验证;通过VUMAT子程序建立了基于Beam单元与Connector单元的竖向变刚度三维隔震单层球面网壳高效数值模型。结果表明:采用所建装置滞回模型可以准确计算不同工况下组合液压缸的响应,不同频率正弦激励下装置刚度、控制阈值和支座反力的最大误差为8.3%,地震激励下加速度峰值与最大支座反力的最大误差为6.9%;所建杆件滞回模型可以准确模拟不同长细比、截面与约束条件杆件的滞回行为,稳定承载力的最大误差为3.9%。(3)分析了地震作用下不同类型、隔震方案、跨度与矢跨比三维隔震单层球面网壳隔震性能。建立了不同类型、跨度与矢跨比的单层球面网壳数值模型,计算了不同地震作用下单层球面网壳不隔震、非变刚度三维隔震与竖向变刚度三维隔震时的响应,验证了装置的隔震效果,分析了结构参数与装置参数对节点加速度、杆件内力、竖向隔震位移和倾覆位移的影响。结果表明:相比于非变刚度三维隔震装置,竖向变刚度三维隔震装置对结构加速度与杆件内力减震率的提高小于5.0%,但可更有效地限制竖向隔震位移与倾覆位移,平均减小率分别为35.2%和40.5%;装置对不同类型单层球面网壳均具有较好的隔震效果,不同类型单层球面网壳最大节点加速度与杆件内力减震率均值相差小于14.6%;跨度与矢跨比对节点加速度与杆件内力减震率的影响分别小于8.0%和32.0%;竖向隔震位移与倾覆位移随跨度的增加而增加,最大变化率为50.0%,矢跨比对竖向隔震位移的影响小于21.3%;隔震阶段周期不变时可以通过改变装置的刚度比与控制阈值,在减震率变化小于7.0%的情况下降低竖向隔震位移与倾覆位移。(4)建立了考虑水平地震影响的最大竖向隔震位移计算方法。推导了单层球面网壳三维隔震时水平地震产生的倾覆力矩对竖向隔震位移影响系数的计算公式,基于非线性Newmark法与单自由度体系运动方程建立了考虑水平地震影响的最大竖向隔震位移计算方法;通过与不同类型单层球面网壳整体有限元模型计算结果对比验证了该方法的准确性,分析了跨度与矢跨比对最大竖向隔震位移计算结果的影响。结果表明:竖向地震作用下所建方法计算得到的竖向隔震位移时程曲线与整体有限元模型计算得到的曲线吻合,最大误差为9.3%;所建方法可以准确计算不同类型、跨度与矢跨比单层球面网壳竖向变刚度三维隔震时的最大竖向隔震位移,平均误差小于15.6%;跨度与矢跨比对最大竖向隔震位移计算结果影响较小,不同跨度与矢跨比单层球面网壳最大竖向隔震位移计算结果平均误差小于12.0%。