三维基础隔震结构耦合地震响应的实验研究与解析解

本文系统研究了三维基础隔震结构(3D-BIS)的水平-摇摆耦合地震行为，开发了考虑上部结构柔性的简化解析模型，提出了新型多维隔震减震装置(MEIMD)，并通过振动台试验验证了该装置对高宽比>3结构的摇摆效应控制效果。研究发现耦合运动模式会放大结构位移但不增加内力，研究为大型高耸结构的抗震设计提供了重要理论支撑。

　　

Highlight亮点

本研究揭示了高宽比>3的三维基础隔震结构(3D-BIS)在水平地震作用下的特殊耦合现象：摇摆效应会引发上部结构刚体转动，虽然增加水平位移但不会显著提升结构内力。

Model description模型描述

如图1(a)所示，典型3D-BIS由n层隔震上部结构和包含3D隔震支座的刚性底板组成。当结构长度L大于宽度B时，绕y轴的摇摆运动更为显著。建立的简化解析模型创新性地考虑了上部结构柔性对耦合振动的影响。

Design composition of MEIMD多维隔震减震装置设计

为解决传统3D隔震支座对高耸结构摇摆控制不足的问题，研发的新型MEIMD装置创新性地整合了摇摆抑制组件。有限元分析表明，该装置通过非线性刚度特性可有效限制结构旋转角度。

Dynamic response characteristics动态响应特征

全尺寸四层钢框架振动台试验(高宽比>3)显示：从第二层开始，楼层峰值加速度向顶部和底部递增；摇摆效应使结构产生0.35°的最大转角，但楼面加速度谱在隔震周期处出现明显"凹坑"，证实了MEIMD的隔震有效性。

Model parameters模型参数

采用分数阶导数等效标准固体模型描述粘弹性支座的非线性特性，并通过试验数据标定了碟簧阻尼元件(DSDE)的力-位移关系。参数敏感性分析表明，上部结构柔性会显著影响高阶振型的参与程度。

Conclusions结论

提出的解析模型能准确预测3D-BIS的耦合地震响应，MEIMD装置通过补充摇摆抑制机制，使高耸结构在保持水平隔震效果的同时，将摇摆转角控制在安全限值(1.5%)以内。