超长复杂隔震体系的全寿命时变结构力学行为研究及非载荷变形监测

由温差效应和混凝土收缩徐变等引发的隔震支座非载荷变形，成了钢筋混凝土超长隔震结构的一个突出问题。在多塔楼隔震和不规则平面隔震结构之类的超长复杂隔震体系中，结构端部隔震支座中的非载荷变形与平-扭偶联振动产生的地震变形响应相叠加，影响隔震支座的稳定性，成为隔震体系发展阶段的一个新难题。由于隔震结构的隔震层对上部结构约束较弱，一般非隔震结构经常采用的变形缝、后浇带等一些传统方法对隔震在施工期的受力性能和安全性产生了较大影响，如果方法不当，甚至会影响结构使用阶段的受力性能。因此，应对隔震结构非载荷变形的策略需根据结构从建造到使用的全过程性能决定。本课题利用时变结构力学的理论对隔震结构进行全寿命受力性能分析，对隔震结构的施工建造、使用全过程进行动、静力分析和数值模拟。将结构减震控制理论和结构健康监测技术结合起来，对隔震结构的施工建造和使用过程进行跟踪监测，并利用所获得的监测数据，动态识别结构参数。

随着隔震技术的不断进步，一些平面不规则的超长隔震结构也越来越常见。隔震层水平刚度较小，在释放上部结构季节温度变化和混凝土收缩所产生的非载荷变形和温度应力方面有一定优势。利用隔震结构的这一特性，采取减少或取消上部结构的变形缝的方案，可以增强上部结构的整体性，提高上部结构抵抗侧向变形的能力。但另一方面，上部结构变形缝的减少或取消，会形成超长结构单元，在隔震支座中累积较大的非载荷变形而影响橡胶隔震支座的稳定性和安全感。如果在上部结构中设置不同类型的变形缝或施工过程中设置后浇带，则又会形成大底盘或大底板多塔楼隔震结构等复杂隔震体系。这类超长复杂隔震结构，要么会在地震作用下产生平-扭-摆耦联振动，要么会在大底板等部位产生较复杂的受力状态。由于隔震结构的隔震层对上部结构约束相对较弱，设置后浇带等一些用于治理传统结构非载荷变形的方法对隔震结构不是很有效，而且还可能对隔震结构施工期的受力性能和安全性产生较大影响。如果方法不当，甚至会影响结构使用阶段的受力性能。本项目利用有限元软件对不同结构方案和不同施工策略的超长复杂隔震结构进行大量的数值仿真分析，利用时变结构力学的模型建立了超长复杂隔震结构的施工力学初步构架，结合对超长复杂隔震结构实际工程跟踪监测，对超长复杂隔震结构全寿命静、动力可靠度、地震概率损伤、近断层地震易损性及考虑施工全过程的结构响应特性及其对隔震结构全寿命性能的影响等一系列创新科学问题进行了探索。针对施工期时变特性等诱发的动态监测数据的不确定性，提出了基于模糊理论考虑测量数据不确定性的结构物理参数识别方法，利用不同比例的缩尺模型框架锤击试验、隔震框架振动台模型试验作为检验手段进行了验证。对多个典型的超长复杂隔震建筑实际工程构建了从施工建造直到使用阶段的长期健康监测系统。本项目对超长复杂隔震结构施工期载荷及非载荷变形、个别工程隔震层梁板裂缝的机理有了较深入的理解，在超长复杂隔震结构实际工程的理论分析、结构方案、施工构造及后期使用的规范性等方面都为从事隔震领域研究的科研人员和工程技术人员提供了重要的参照，避免了国内多个新建超长隔震结构对施工期非载荷变形治理的盲目性。有关超长隔震结构的结构单元划分、施工期后浇带间距等研究成果对国家和地方标准编制有重要参考价值，而超长隔震结构施工力学研究对揭示隔震结构非载荷变形规律、减小隔震层裂缝等混凝土结构早期病害有重要指导作用。