偏心隔震结构基于小波分解的地震反应及输入能量分析

摘要

在结构扭转震害严重和建筑复杂不规则发展的两大背景下，研究偏心隔震结构的地震反应具有重要的现实意义。虽然有许多学者对偏心隔震结构进行了大量研究，但是大部分集中在上部结构偏心距与隔震层偏心距、刚度等对扭转效应的影响。本文以“L”型偏心结构和对应的基础隔震结构为研究对象，根据双周期法选取了汶川地震波数据库中的的沙坪NS、EW地震波和卓尼NS、EW地震波，采用B-样条小波将其分解为8个相邻且互不重叠的小波分量。以双向地震原波和双向小波分量为地震激励，分析了两种结构在罕遇、多遇地震作用下的平动反应和扭转反应，对比研究了近、远震地震波频率成分的变化对结构的反应、隔震效果的影响。最后探讨了偏心隔震结构地震动输入能量在各频段和各阶振型上的分布表现，得到了以下结论：
　　1、无论是未隔震结构还是偏心隔震结构，地震波的高频小波分量12.5-100Hz对结构的平动反应、扭转反应贡献均很小可忽略不计，低频小波分量对结构起控制作用。地震波高频分量对等效静力的贡献大于对位移的贡献。包含结构基本振型频率所在的频段对结构的反应贡献最大，并且接近原波作用下的反应峰值；基础隔震体系充当着低频滤波器的作用，地震的高频作用几乎被滤掉，低频成分地震作用较隔震之前更明显。
　　2、偏心隔震结构在两个平动方向的隔震效果基本相同，并且扭转效应的隔震效果优于平动效应，等效静力的隔震效果优于位移；远震卓尼波含有较多的低频成分更能激起隔震结构的低阶模态，故远震长周期地震波对隔震结构更不利；近、远震频率成分的变化对结构扭转反应的影响大于对平动反应的影响。远震相对于近震对平动反应的隔振是不利的，但是对扭转反应的隔震却是有利的。
　　3、无论是何种结构，地震波的0-6.25Hz频段输入能量占总能量的96％以上，且隔震结构输入能量在此频段的分布比未隔震结构更加均匀；同时包含结构基本振型频率的频段对总能量的贡献最大。无论是沙坪波或是卓尼波多遇双向地震作用下，未隔震结构前两个振型组（即前六阶振型）能量占据总能量的96%以上，偏心隔震结构第一个振型组（即前三阶振型）能量占据总能量98.5%以上，可近似认为隔震结构的地震输入能量全部由隔震层的振动吸收，且隔震后高阶振型对总输入能量的贡献更小。
　　4、X单向地震作用下，未隔震结构的高阶振型对X向基底剪力、能量、X向顶层侧移的贡献系数依次减小；偏心隔震结构的上述三个反应量的高阶振型贡献系数都很小，即隔震之后高阶振型的作用更小。当使总的振型反应保持在误差5%以内时，对X向基底剪力、能量、X向顶层侧移的振型需求数目依次减小；偏心隔震结构则全部只需要第一组振型即可满足同等误差要求。
　　5、在结构类型不变时，单向地震波作用下的输入能量，在以X向平动为主、Y向平动为主、扭转为主的振型方向上的能量分布基本一致；单向地震作用下的输入能量主要由结构在该激励方向上的振动构成。未隔震结构在单向地震作用下能量的水平方向“耦合”很小，但是引起以扭转为主的振型能量较大；隔震之后结构Y单向地震作用下产生的扭转振型能量比例更小，而在X单向地震作用下能量水平方向的“耦合”以及引起的扭转振型能量均较大，并且两种结构在X向的能量水平“耦合”程度均大于Y向的。

目录

声明

1绪论

1.1引言

1.2偏心隔震结构的研究现状

1.3基础隔震结构的能量分析方法研究现状

1.4本文研究的主要内容

2小波分析及基于小波理论的地震动分解

2.1小波分析产生的背景及其在地震工程中的应用

2.2小波变换与B-样条小波

2.3基于小波理论的地震动分解及算例分析

2.4本章小结

3偏心隔震结构的动力时程分析法

3.1偏心隔震结构分析模型及运动方程的建立

3.2实际工程案例分析

3.3本章小结

4偏心隔震结构基于小波分解的双向地震反应分析

4.1沙坪双向水平地震下偏心结构的地震反应

4.2卓尼双向水平地震作用下偏心结构的地震反应

4.3偏心隔震结构在水平双向和单向地震作用下对比分析

4.4本章小结

5偏心隔震结构基于小波分解的地震输入能量分析

5.1弹性单自由度体系地震动输入能量的求解

5.2弹性多自由度体系地震动输入能量的求解

5.3地震动输入能量的小波分解

5.4地震动输入能量的小波分解在隔震结构的应用

5.5本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

附录

附录1雅安沙坪EW加速度时程与傅里叶谱

附录2甘肃卓尼NS加速度时程与傅里叶谱

附录3甘肃卓尼EW加速度时程与傅里叶谱