近断层地震动作用下基础隔震建筑结构地震响应的量纲分析

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近断层地震动通常具有大幅值、长周期的速度脉冲,可造成严重的建筑结构破坏、人员伤亡和经济损失。随着隔震理论的发展,以及隔震技术的研究和推广,隔震建筑结构越来越得到认可和应用。但是,由于地震动的随机性、不规则性及其复杂的运动机理,导致不同地震动记录下隔震建筑结构的地震响应差别较大,这一点对于有别于远场地震动的近断层地震动尤其突出,研究者面临的一项难题是揭示近断层不同地震动记录的内在规律,和深刻阐释隔震建筑结构地震响应的变异性。量纲分析理论作为一种重要且有效的科学研究方法,其通过对工程问题参数的规格化处理,建立相关物理量的无量纲表达式,揭示问题的本质规律。鉴于此,本文引入量纲分析理论探究隔震建筑结构的规格化地震响应。基于两种长度尺度对近断层地震动作用下基础隔震建筑的规格化位移响应进行了一系列研究,并揭示隔震建筑地震响应的内在规律,对推动隔震建筑结构的理论研究和工程应用具有重要意义。论文具体内容如下:首先,建立了基础隔震建筑的等效两质点隔震体系简化模型,输入三种不同理想脉冲激励,研究了不同类型的等效两质点隔震体系的规格化最大位移响应。比较分析了能量长度尺度和内禀长度尺度对于表征近断层隔震建筑规格化位移响应的能力,发现基础隔震建筑规格化最大位移响应受上部结构质量比和频率比两方面不同的影响。当采用内禀长度尺度时,隔震体系的规格化最大位移响应变异性和离散度得到了有效抑制,分布更为均匀。其次,研究了实际近断层地震动作用下两质点隔震体系的规格化地震响应。通过引入实际地震动记录的平均周期,建立了隔震体系的自相似反应谱,比较了两种长度尺度下隔震体系的反应谱变异系数。结果表明,基于内禀长度尺度的自相似反应谱变异系数曲线具有重合趋势,其均值反应谱具有关于与规格化屈服位移的完全相似性,说明采用内禀长度尺度可以有效抑制隔震体系规格化响应的离散度。最后,通过有限元软件建立基础隔震高层建筑计算模型,对比研究了在两类理想脉冲和实际近断层地震动作用下高层隔震建筑、多质点隔震体系和两质点隔震体系的规格化最大位移响应。通过对实际地震动记录下隔震体系均值反应谱的拟合,建立了回归模型用于预测高层隔震建筑的地震响应。研究结果表明,基础隔震高层建筑在理想脉冲激励下的规格化响应趋势与两种简化隔震体系的无量纲响应趋势一致,且在近断层地震动作用下的实际规格化响应散布在拟合的回归曲线上,说明所用的简化隔震体系较为准确地表征高层基础隔震建筑的地震响应规律。提出的回归方程可有效拟合自相似反应谱,能够预测隔震建筑的地震响应。
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