Seismic Response Analysis of Base‑isolated Buildings by the High‑order Dynamic Procedure

SHI Xixi; LI Hongjing; DU Dongsheng

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20220702001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Seismic Response Analysis of Base‑isolated Buildings by the High‑order Dynamic Procedure

更新时间：2025-09-25

- Seismic Response Analysis of Base‑isolated Buildings by the High‑order Dynamic Procedure
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 43, Issue 5, Pages: 1035-1045(2023)
- 作者机构：
  
  1.南京工业大学工程力学研究所，江苏南京 211816
  2.南京科技职业学院，江苏南京 210048
  3.南京工业大学土木工程学院，江苏南京 211816
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20220702001
  CLC： TU375;O325
- Received：02 July 2022，
  
  Revised：2022-07-21，
  
  Published：15 October 2023
- 稿件说明：
移动端阅览
施溪溪,李鸿晶,杜东升.基于高阶动力格式的基底隔震结构地震响应分析[J].防灾减灾工程学报,2023,43(05):1035-1045.

SHI Xixi,LI Hongjing,DU Dongsheng.Seismic Response Analysis of Base‑isolated Buildings by the High‑order Dynamic Procedure[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2023,43(05):1035-1045.
施溪溪,李鸿晶,杜东升.基于高阶动力格式的基底隔震结构地震响应分析[J].防灾减灾工程学报,2023,43(05):1035-1045. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20220702001.

SHI Xixi,LI Hongjing,DU Dongsheng.Seismic Response Analysis of Base‑isolated Buildings by the High‑order Dynamic Procedure[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2023,43(05):1035-1045. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20220702001.

摘要

隔震支座在强烈地震作用下将产生复杂的动力响应，精确掌握地震响应行为及其规律是研发高质量隔震支座和进行隔震结构设计的基础。在进行结构地震响应分析，特别是非线性分析时，采用传统逐步积分方法以及低阶格式建立起的动力时程分析方法都难以达到高精度，而采用传统高阶时间积分算法则会出现计算过程繁琐，工作量大等情况。本文采用一种基于高阶动力格式的显式时间积分新式算法，应用于基底隔震结构的地震响应分析中。首先通过自由度凝聚缩减原理，建立设置隔震支座钢筋混凝土框架结构简化计算模型；同时采用隔震支座恢复力双切线本构模型构建基底隔震体系运动方程，并转化为状态方程；进而基于微分求积（DQ）原理编制高阶动力格式算法求解状态方程；最后分析一高层基底隔震结构，在高、中、低不同频率地震波下地震响应，验证该方法适用性。结果表明，①利用静态凝聚技术建立隔震结构模型，从而构建地震响应状态方程，是高阶动力分析方法实施的基础。②结构高阶动力分析方法仅通过矩阵乘法运算即可获得结构动力响应，可较好且高效地用于解决非线性地震响应分析问题。③将结构高阶动力分析方法应用于基底隔震结构，能获得隔震结构较为精确的分析结果。

Abstract

The isolation bearings will generate a complex dynamic response under strong earthquake. Accurately understanding its seismic response behavior and laws serves as the basis for developing high-quality isolation bearings and designing isolation structures. In seismic response analysis， especially in nonlinear analysis， the traditional stepwise integration method and low-order time-history analysis methods are difficult to achieve high precision. Meanwhile， the use of traditional high-order time-integration algorithm can lead to a tedious calculation process and heavy workload. This paper applies a new explicit time-integral algorithm based on a high-order dynamic scheme to the seismic response analysis of base-isolated structures. Firstly， a simplified calculation model of a reinforced concrete frame structure with isolation bearings is established based on the condensation reduction principle of degrees of freedom. Simultaneously， the motion equation of the base isolation system is constructed by using the dual tangent constitutive model of the restoring force of the isolation bearing， and converted into the state equation. Then， based on the differential quadrature （DQ） principle， a high-order dynamic scheme algorithm is developed to solve the state equation； Finally， the seismic response of a high-rise base-isolated structure under high， medium and low frequency seismic waves is analyzed to verify the applicability of this method. The results show that： ①Using static condensation technology to establish the model of isolated structure， and to build the state equation of seismic response， is the basis for the implementation of high-order dynamic analysis method. ②The high-order dynamic analysis method of the structure can obtain the structural dynamic response only through matrix multiplication， which can be used to solve the problem of nonlinear seismic response analysis better and efficiently. ③Applying the structural high-order dynamic analysis method to the base isolated structure can yield more accurate analysis results of the isolated structure.

关键词

Keywords

references

建筑抗震设计规范： GB 50011—2010 ［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2016 .

Spencer B F ， Nagarajaiah S . State of the art of structural control ［J］. Journal of Structural Engineering， ASCE ， 2003 ， 129 （ 7 ）： 845 - 856 .

周锡元，阎维明，杨润林 . 建筑结构的隔震、减震和振动控制［J］. 建筑结构学报， 2002 ， 23 （ 2 ）： 2 - 12，26 .

Zhou X Y ， Yan W M ， Yang R L . Seismic base isolation， energy dissipation and vibration control of building structures ［J］. Journal of Building Structures ， 2002 ， 23 （ 2 ）： 2 - 12，26 . （in Chinese）

范立础，王志强 . 我国桥梁隔震技术的应用［J］. 振动工程学报， 1999 ， 12 （ 2 ）： 173 - 181 .

Fan L C ， Wang Z Q . Application of seismic isolation technology for bridges in China ［J］. Journal of Vibration Engineering ， 1999 ， 12 （ 2 ）： 173 - 181 . （in Chinese）

周福霖 . 工程结构减震控制［M］. 北京：地震出版社， 1997 ： 15 - 60 .

Zhou F L . Building structure seismic control ［M］. Beijing ： China Seismological Press ， 1997 ： 15 - 60 . （in Chinese）

Mehmet C . Successful performance of a base-isolated hospital building during the 17 January 1994 Northridge earthquake ［J］. The Structural Design of Tall Building ， 1996 ， 5 ： 95 - 109 .

Nagarajaiah S ， Sahasrabudhe S . Seismic response control of smart sliding isolated buildings using variable stiffness systems： An experimental and numerical study ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2006 ， 35 （ 11 ）： 177 - 197 .

唐家祥，李黎，李英杰 . 叠层橡胶基础隔震房屋结构设计与研究［J］. 建筑结构学报， 1996 ， 17 （ 2 ）： 37 - 47 .

Tang J X ， Li L ， Li Y J . Design and research of base-Isolated building with laminated rubber bearings ［J］. Journal of Building Structures ， 1996 ， 17 （ 2 ）： 37 - 47 . （in Chinese）

周锡元，韩森 . 橡胶支座与RC柱串联隔震系统水平刚度系数［J］. 振动工程学报， 1999 ， 12 （ 2 ）： 157 - 165 .

Zhou X Y ， Han S . Horizontal rigidity coefficient of the serial system of rubber bearing with column ［J］. Journal of Vibration Engineering ， 1999 ， 12 （ 2 ）： 157 - 165 . （in Chinese）

周云，徐彤，贺明玄 . 基础隔震结构的能量设计方法［J］. 地震工程与工程振动， 2000 ， 20 （ 3 ）： 116 - 122 .

Zhou Y ， Xu T ， He M X . Study of design method for base-isolation structures based on energy theory ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2000 ， 20 （ 3 ）： 116 - 122 . （in Chinese）

张敏政，孟庆利，裴强 . 叠层橡胶隔震支座的动态稳定性和力学特性研究［J］. 地震工程与工程振动， 2002 ， 22 （ 5 ）： 85 - 91 .

Zhang M Z ， Meng Q L ， Pei Q . Dynamic stability and mechanical behaviors of laminated rubber bearings ［J］. Earthquake Engineeering and Engineering Vibration ， 2002 ， 22 （ 5 ）： 85 - 91 . （in Chinese）

李宏男，吴香香 . 橡胶垫隔震支座结构高宽比限值研究［J］. 建筑结构学报， 2003 ， 24 （ 2 ）： 14 - 19 .

Li H N ， Wu X X . Study on limit of height-to-width ratio for base-isolated buildings with rubber bearings under earthquake ［J］. Journal of Building Structures ， 2003 ， 24 （ 2 ）： 14 - 19 . （in Chinese）

Nagarajaiah S ， Reinborn A M ， Constantinou M C . Nonlinear dynamic analysis 3-D base isolation structures ［J］. Journal of Structural Engineering， ASCE ， 1991 ， 117 ： 2035 - 2054 .

Jangid R S ， Datta T K . Nonlinear response of torsionally coupled base isolated structure ［J］. Journal of Structural Engineering， ASCE ， 1994 ， 120 ： 1 - 2 .

Bathe K J ， Baig M M I . On a composite implicit time integration procedure for nonlinear dynamics ［J］. Computers and Structures ， 2005 ， 83 ： 2513 - 2524 .

Fung T C . Complex-time-step Newmark methods with controllable numerical dissipation ［J］. International Journal for Numerical Methods in Engineering ， 1998 ， 41 ： 65 - 93 .

Kim W ， Choi S Y . An improved implicit time integration algorithm： The generalized composite time integration algorithm ［J］. Computers and Structures ， 2018 ， 196 ： 341 - 354 .

Fung T C . Solving initial problems by differential quadrature method — Part 2： second- and higher-order equations ［J］. International Journal for Numerical Methods in Engineering . 2001 ， 50 ： 1429 - 1454 .

Kim W ， Reddy J N . A new family of higher-order time integration algorithms for the analysis of structural dynamics ［J］. Journal of Applied Mechanics ， 2017 ， 84 ： 071008 .

李鸿晶，梅雨辰，任永亮 . 一种结构动力时程分析的积分求微方法［J］. 力学学报， 2019 ， 51 （ 5 ）： 1507 - 1516 .

Li H J ， Mei Y C ， Ren Y L . An integral differentiation procedure for dynamic time-history response analysis of structures ［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics ， 2019 ， 51 （ 5 ）： 1507 - 1516 . （in Chinese）

李鸿晶，杨筱朋，梅雨辰 . 一种多自由度阻尼体系动力问题的高阶分析方法［J］. 工程力学， 2021 ， 38 （ 1 ）： 15 - 26 .

Li H J ， Yang X P ， Mei Y C . A high-order procedure for dynamics of multi-degree-of-freedom damping systems ［J］. Engineering Mechanics ， 2021 ， 38 （ 1 ）： 15 - 26 . （in Chinese）

Elastomeric Bearing （BoucWen） Element ［EB/OL］. ［ 2016-10-21 ］ https：∥opensees.berkeley.edu/wiki/index.php/Elastomeric_Bearing_（Bouc-Wen）_Element https://opensees.berkeley.edu/wiki/index.php/Elastomeric_Bearing_(Bouc-Wen)_Element .

ElastomericBearing（Plasticity）Element ［EB/OL］. ［ 2016-10-19 ］ https：∥opensees.berkeley.edu/wiki/index.php？title=Elastomeric_Bearing_（Plasticity）_Element&oldid=12326 https://opensees.berkeley.edu/wiki/index.php?title=Elastomeric_Bearing_(Plasticity)_Element&oldid=12326 .

Aashto LRFD Bridge Design Specifications ［S］. AASHTO STD （SI Units 4th Edition 2007 ）.

Moler C ， Van Loan C . Nineteen dubious ways to compute the exponential of a matrix， twenty-five years later ［J］. SIAM Review ， 2003 ， 45 （ 1 ）： 3 .

钟万勰 . 结构动力方程的精细时程积分法［J］. 大连理工大学学报， 1994 ， 34 （ 2 ）： 131 - 136 .

Zhong W X . On precise time-integration method for structural dynamics ［J］. Journal of Dalian University of Technology ， 1994 ， 34 （ 2 ）： 131 - 136 . （in Chinese）

章征涛，刘伟庆，王曙光，等 . 组合隔震技术在某高层结构中的应用［J］. 建筑结构， 2017 ， 47 （ 8 ）： 87 - 92 .

Zhang Z T ， Liu W Q ， Wang S G ， et al . Application of hybrid base-isolation technology in a high-rise building ［J］. Building Structure ， 2017 ， 47 （ 8 ）： 87 - 92 . （in Chinese）

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Seismic Response Analysis of the Standard Section of the Integrated Pipe Gallery Considering the Impact of the Joint

Related Author

Gan Lin

Related Institution

Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration

⁰