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建筑结构使用功能需求的增长促使其内部设备等非结构构件大量涌现，建筑结构本身与其内部设备形成了结构-设备耦合体系。对于结构-设备耦合体系的研究多基于刚性地基的假定，而真实地基情况与计算假设之间的差异可能导致结构-设备体系设计出现不合理、乃至不安全的情形。一方面，地基相对柔性可引起上部结构-设备体系动力特性的改变，另一方面，由于地基无限性导致的振动能量远处逸散效应将进一步改变上部结构-设备体系的地震反应机理，因此将地基土、结构、设备三者联合分析更能反映真实情形。然而，由于地基土-结构-设备体系规模庞大性及内部相互作用复杂性，尚缺乏高效的整体体系地震反应计算方法，而试验研究成果更是匮乏。有鉴于此，本文针对地基土-结构-设备体系研究中所涉及的地基土能量逸散效应的模拟、体系振动台试验方法进行了研究，并对体系抗震设计能量法所涉及的基本问题进行探索，研究了考虑土-结构相互作用情况下结构-设备体系能量反应的计算理论，分析了结构-设备体系在真实地基条件下的地震能量输入和能量耗散机理。主要研究内容和成果概述如下：
1.提出了模拟远场地基土无限域能量逸散效应的模态综合-阻尼抽取联合法。研究了模态综合法与阻尼抽取法联合应用于远场地基土模拟的相关理论，推导了联合法模拟远场地基土有限元时域模型的计算表达式。以有限元软件ANSYS与编程软件MATLAB联合应用实现模拟远场地基土有限元模型的前处理，并以Simulink状态空间方法实现模拟远场地基土模型的计算。基于算例分析对所提出方法的可靠性进行验证，算例结果表明：所提出的模拟远场地基土能量逸散的模态综合-阻尼抽取联合法计算效率高且不失精度。
2.提出了地基土-结构-设备体系基于分枝模态方法的实时耦联振动台试验方法。推导了地基土-结构-设备体系运动方程并变换使得结构-设备体系与地基土之间相互作用以耦合项荷载形式出现，进而可实现结构-设备体系试验子结构与地基土数值子结构之间的数据交互。对单向加载振动台装置上地基土转动效应的模拟进行研究，将地基土转动效应以等效荷载方法模拟进而提出了整体体系的实时耦联振动台试验方法。对数值子结构地基土模型的实施进行研究，并对其应用于实时耦联试验的可行性进行论证，结果表明：本文提出的缩减地基土模型参与地基土-结构-设备体系实时耦联试验满足数据交互时效要求且具有较高的精度。
3.提出了考虑地基土影响的复杂相互作用体系中结构-设备体系能量反应计算方法，研究了地基土线性阶段和局部非线性阶段的结构-设备体系能量反应计算理论，并解决了相关能量反应自编程序的计算实现。考虑了结构与设备之间存在连接装置的情形，得到了考虑地基土影响的结构、连接装置与设备各自的能量反应计算方程。提出了实时能量概念并开发了Simulink实时能量反应输出模块。对高层框架结构-设备体系能量反应进行MATLAB自编程序计算实现，为获知结构-设备体系真实的能量需求与耗散机理奠定基础。
4.实现了结构-设备体系与地基土-结构-设备体系实时耦联振动台试验，并对基于分枝模态方法的实时耦联振动台试验方法的可靠性进行了验证。基于试验结果分析了连接装置参数以及地基土对结构-设备体系能量反应的影响规律。结果表明：与刚性连接装置相比，采用柔性连接装置对降低结构输入能和滞回耗能占比有利；连接装置参数对设备输入能及其分配影响规律与地震动特性相关。考虑地基土影响后，结构与设备输入能呈相对于刚性地基时降低的状态；且结构与设备输入能分配特性以及连接装置参数对结构和设备能量反应影响的规律改变。刚性地基假定的结构-设备体系能量反应计算结果存在较大误差。
5.对局部非线性地基土-结构-设备体系计算方法进行研究，提出了借助不同软件计算优势为特点的地基土-结构-设备体系ANSYS-MATLAB数值交互分析方法，开发了相应的ANSYS-MATLAB交互分析平台，并对交互分析方法的可靠性进行了验证。基于交互分析平台研究了大震阶段地基土对不同参数连接装置的结构-设备体系能量反应的影响规律，结果表明：地基土进入局部非线性阶段后对结构与设备输入能的减小作用有所削弱，同时，局部非线性地基土对结构-设备体系能量反应影响规律与线性地基土假设时的情况有所不同。因此，有必要考虑地基土非线性因素对结构-设备体系能量反应的影响。
6.开展了地基土-高层框架结构-设备体系能量反应分析，对结构-设备体系抗震设计能量法中结构与设备输入能、能量耗散机理以及性能协调手段等基本问题进行研究。分析了连接装置参数以及地基土对结构与设备输入能、能量分配和耗能机制的影响规律。结果表明：采用柔性连接装置可减小结构向设备的能量传递，当设备与柔性连接装置构成的设备子体系与结构基频接近1.0时结构输入能明显降低；采用柔性连接装置有利于设备内部能量合理分配，对减小设备反应有利，当柔性连接装置的设备子体系与结构基频接近1.0时，结构与设备可互动减震；刚性地基假定的结果高估了结构与设备输入能，考虑地基土影响后结构与设备输入能最大降幅可至50%；刚性地基假定的结构与设备输入能分配特性存在误差，且结构楼层滞回耗能分布与真实地基条件下不同；考虑地基土影响后连接装置对结构能量反应影响规律与刚性地基时的结果差异明显，且柔性连接装置对设备有利作用削弱。在结构-设备体系抗震设计能量法研究中有必要考虑地基土的影响。
1.提出了模拟远场地基土无限域能量逸散效应的模态综合-阻尼抽取联合法。研究了模态综合法与阻尼抽取法联合应用于远场地基土模拟的相关理论，推导了联合法模拟远场地基土有限元时域模型的计算表达式。以有限元软件ANSYS与编程软件MATLAB联合应用实现模拟远场地基土有限元模型的前处理，并以Simulink状态空间方法实现模拟远场地基土模型的计算。基于算例分析对所提出方法的可靠性进行验证，算例结果表明：所提出的模拟远场地基土能量逸散的模态综合-阻尼抽取联合法计算效率高且不失精度。
2.提出了地基土-结构-设备体系基于分枝模态方法的实时耦联振动台试验方法。推导了地基土-结构-设备体系运动方程并变换使得结构-设备体系与地基土之间相互作用以耦合项荷载形式出现，进而可实现结构-设备体系试验子结构与地基土数值子结构之间的数据交互。对单向加载振动台装置上地基土转动效应的模拟进行研究，将地基土转动效应以等效荷载方法模拟进而提出了整体体系的实时耦联振动台试验方法。对数值子结构地基土模型的实施进行研究，并对其应用于实时耦联试验的可行性进行论证，结果表明：本文提出的缩减地基土模型参与地基土-结构-设备体系实时耦联试验满足数据交互时效要求且具有较高的精度。
3.提出了考虑地基土影响的复杂相互作用体系中结构-设备体系能量反应计算方法，研究了地基土线性阶段和局部非线性阶段的结构-设备体系能量反应计算理论，并解决了相关能量反应自编程序的计算实现。考虑了结构与设备之间存在连接装置的情形，得到了考虑地基土影响的结构、连接装置与设备各自的能量反应计算方程。提出了实时能量概念并开发了Simulink实时能量反应输出模块。对高层框架结构-设备体系能量反应进行MATLAB自编程序计算实现，为获知结构-设备体系真实的能量需求与耗散机理奠定基础。
4.实现了结构-设备体系与地基土-结构-设备体系实时耦联振动台试验，并对基于分枝模态方法的实时耦联振动台试验方法的可靠性进行了验证。基于试验结果分析了连接装置参数以及地基土对结构-设备体系能量反应的影响规律。结果表明：与刚性连接装置相比，采用柔性连接装置对降低结构输入能和滞回耗能占比有利；连接装置参数对设备输入能及其分配影响规律与地震动特性相关。考虑地基土影响后，结构与设备输入能呈相对于刚性地基时降低的状态；且结构与设备输入能分配特性以及连接装置参数对结构和设备能量反应影响的规律改变。刚性地基假定的结构-设备体系能量反应计算结果存在较大误差。
5.对局部非线性地基土-结构-设备体系计算方法进行研究，提出了借助不同软件计算优势为特点的地基土-结构-设备体系ANSYS-MATLAB数值交互分析方法，开发了相应的ANSYS-MATLAB交互分析平台，并对交互分析方法的可靠性进行了验证。基于交互分析平台研究了大震阶段地基土对不同参数连接装置的结构-设备体系能量反应的影响规律，结果表明：地基土进入局部非线性阶段后对结构与设备输入能的减小作用有所削弱，同时，局部非线性地基土对结构-设备体系能量反应影响规律与线性地基土假设时的情况有所不同。因此，有必要考虑地基土非线性因素对结构-设备体系能量反应的影响。
6.开展了地基土-高层框架结构-设备体系能量反应分析，对结构-设备体系抗震设计能量法中结构与设备输入能、能量耗散机理以及性能协调手段等基本问题进行研究。分析了连接装置参数以及地基土对结构与设备输入能、能量分配和耗能机制的影响规律。结果表明：采用柔性连接装置可减小结构向设备的能量传递，当设备与柔性连接装置构成的设备子体系与结构基频接近1.0时结构输入能明显降低；采用柔性连接装置有利于设备内部能量合理分配，对减小设备反应有利，当柔性连接装置的设备子体系与结构基频接近1.0时，结构与设备可互动减震；刚性地基假定的结果高估了结构与设备输入能，考虑地基土影响后结构与设备输入能最大降幅可至50%；刚性地基假定的结构与设备输入能分配特性存在误差，且结构楼层滞回耗能分布与真实地基条件下不同；考虑地基土影响后连接装置对结构能量反应影响规律与刚性地基时的结果差异明显，且柔性连接装置对设备有利作用削弱。在结构-设备体系抗震设计能量法研究中有必要考虑地基土的影响。