隔震技术是结构抗震领域近半个世纪以来突出的研究成果之一,已得到广泛的应用。目前已建成的隔震建筑大多集中在潜在地震发生区域,由于地震发生、强度和特性的不确定性,在设计基准期内隔震建筑仍可能遭受极罕遇地震的作用。隔震建筑等重要建筑为了避免结构破坏以及建筑功能丧失,其抗震需求明显高于普通建筑,增加抗极罕遇地震能力不仅能够实现日益增长的抗震需求也能够提高结构的安全储备。研究探索新的隔震方式和设计方法,既付出不大的代价、又经济有效地实现隔震结构抗极罕遇地震的性能目标是本文研究的方向和主要内容。隔震措施可以使上部结构在罕遇地震下处于弹性或轻微弹塑性状态,从而有效保护设防烈度下结构构件及非结构构件的安全,实现结构预期的抗震性能。目前对隔震结构抗震性能的现有研究主要集中在设防地震及罕遇地震方面,对极罕遇地震下隔震结构的抗震性能的研究不足。研究表明,传统隔震结构在极罕遇地震作用下的破坏主要是由于隔震支座变形过大引起,增加隔震支座的变形能力能够直接、有效地实现隔震结构整体的抗震性能的提高。传统橡胶支座由于水平变形能力与支座刚度呈正相关,提高橡胶支座的变形能力与提高隔震效果之间存在矛盾。传统摩擦摆支座水平隔震能力能够避开竖向承载力、支座尺寸的限制,可以实现更柔的隔震层,进一步研究开发,可望实现更大水平位移的隔震层,从而能够有效地实现抗极罕遇地震的性能目标。这也是本文研究主要的切入点和相关内容。本文从大幅提高隔震层水平位移能力和隔震结构最主要失效模式“隔震层破坏”安全储备的基本目标出发,分别提出了以隔震层整层作为滑动面、整体或分块组合体作为滑块的整体式大位移摩擦摆隔震结构体系和组合式大位移摩擦摆隔震结构体系,采用理论分析、数值模拟与试验验证相结合的方式,开展大位移摩擦摆隔震建筑结构体系抗极罕遇地震性能研究,主要内容如下:1、提出了将主体结构整体安置于一个超大半径滑动球面的整体式大位移摩擦摆隔震结构体系,实现了超长隔震周期和超大隔震层滑动位移;通过设计合理的摩擦系数控制隔震层的起滑和耗能,使得隔震结构具备抗远超设防烈度的极罕遇地震能力。通过上部结构在隔震层滑动面上的整体转动以及滑动面各接触位置支反力方向的不同,推导建立了整体式大位移摩擦摆隔震结构体系的运动方程,分析得到了整体式大位移摩擦摆隔震结构具有不同于传统摩擦摆隔震结构的一些力学性能:隔震结构具有刚度恒定、周期不变的特点,但是,结构隔震周期和摩擦力作用并非直接对应滑动面半径及滑动面摩擦系数;通过定义整体式大位移摩擦摆隔震结构等效半径和等效摩擦系数,实现了隔震结构自振周期和摩擦力作用的准确表征和计算。通过整体式大位移摩擦摆隔震结构的抗震性能分析,结果表明:合理设计的隔震上部结构在极罕遇地震下仍能保持弹性;隔震层最大位移远超传统摩擦摆支座极限位移,极罕遇地震摩擦摆实际滑动位移远未达到整体式大位移摩擦摆支座极限位移,且隔震层的残余位移不影响正常使用,整体式大位移摩擦摆隔震结构具备抗极罕遇地震的能力。2、提出通过多组上下滑动面及内部分块组合体滑块形成隔震层的组合式大位移摩擦摆隔震结构体系,该隔震体系使上部结构保持平动、同时隔震层具备大变形能力,可满足特殊隔震建筑对平动功能性和抗超罕遇地震安全性的需求。建立了组合式大位移摩擦摆隔震层的运动方程,推导得出了与隔震结构动力特性对应的等效质量、等效摩擦系数、等效地震作用等重要参数。通过数值模拟,验证了组合式大位移摩擦摆隔震结构具备抗极罕遇地震能力。极罕遇地震下组合式大位移摩擦摆隔震上部结构能够保持弹性,楼面加速度不超过加速度敏感型构件的要求;隔震层实际地震位移远未超过组合式大位移摩擦摆支座极限位移,震后留有残余位移的隔震层隔震能力不变。对比了整体式和组合式大位移摩擦摆支座的适用条件,其中整体式大位移摩擦摆支座适合对安全性需求高、允许结构出现小幅度摇摆、隔震层水平向预留足够大滑移空间的隔震建筑;组合式大位移摩擦摆支座适合不允许出现小幅度摇摆、隔震层竖向预留足够大滑移空间的隔震建筑。3、为开展整体式和组合式大位移摩擦摆隔震支座底层隔震结构振动台试验研究,设计了一座15层的大位移摩擦摆框架隔震结构,考虑隔震结构在地震作用下变形以第一振型为主,提出了采用刚体框架与橡胶支座结合模拟隔震层上部结构主振型响应的等效单自由度隔震结构体系试验模型;设计并委托加工制造了整体式和组合式大位移摩擦摆支座,实现了隔震层的缩尺模拟。通过白噪声加载工况试验,验证了试验中对主体结构动力特性缩尺的准确性;通过有无初位移的罕遇、极罕遇地震工况试验,准确模拟了隔震层响应,验证了隔震层在极罕遇地震下具备足够的位移能力、上部结构能够保持弹性;对比有无支座初始位移的加载工况,上部结构隔震效果和在隔震层上的滑动趋势基本不变,表明震后支座残余位移对之后地震的抗震性能影响很小。通过实验精细标定了摩擦摆支座摩擦系数和隔震结构周期。隔震层响应和上部结构隔震效果与数值模拟结果基本吻合。4、对于高层隔震建筑,提出了每隔若干层布置一个隔震层的多层隔震结构体系,结构前几阶隔震周期均可远超地震卓越周期,大幅降低隔震结构前几阶振型的地震效应,从而大幅减小分块隔离的主体结构和整体结构的地震作用。在整体式大位移摩擦摆多层隔震结构体系中,地震作用产生的倾覆弯矩与上部结构整体倾斜产生的弯矩方向相反,结构更不易发生倾覆。以20层的双层隔震结构为例,分析了极罕遇地震下双层隔震体系的抗震性能,得到了比底层隔震结构体系更好的隔震效果,整体抗倾覆能力提高了二倍。成功设计和完成了整体式和组合式大位移摩擦摆双层隔震结构体系振动台试验,验证了双层隔震结构在极罕遇地震下不会出现破坏,主体结构的隔震效果很好、并且没有倾覆风险。