基于非线性能量阱的悬吊摆对输电塔-振动控制的研究

针对输电塔结构在地震作用下动力响应过大的问题,提出一种基于非线性能量阱的悬吊摆以降低输电塔的动力响应。首先利用拉格朗日方程推导了这种悬吊摆的运动方程,再以一单自由度结构为例,建立了摆式非线性能量阱—结构的动力方程,计算了摆式非线性能量阱在正弦激励下的减振效果,并对正弦激励周期、悬吊摆周期、立方刚度、质量比等参数对减振效果的影响进行了分析。最后选取一柔性输电塔为例,研究了不同地震作用下摆式非线性能量阱的减振效果,并与传统的悬吊质量摆和线性弹簧摆进行对比。结果表明,在地震作用下,摆式非线性能量阱对输电塔动力响应的峰值和均值都有较好的减振效果。     

被动式自适应悬吊质量摆对大跨空间结构振动控制的研究∗

针对悬吊质量摆在地震作用下动力响应过大而导致的大摆角频率失调问题,提出一种基于弧形支座的被动式自适应悬吊质量摆,以保证其在振动过程中周期保持恒定并应用于大跨空间结构的振动控制。首先推导出在大摆角振动中能使悬吊摆的周期保持恒定的弧形支座的数学方程,接着利用拉格朗日方程原理建立了自适应悬摆— 大跨空间结构耦合体系的运动方程。针对悬吊质量摆仅能控制结构水平振动的缺点进行改进,使其可以同时控制大跨空间结构水平和竖向的动力响应。以一单层网壳结构为例,研究了其在不同的水平和竖向地震作用下的减振效果,并与传统的悬吊摆进行对比。结果表明,改进后的自适应摆对大跨结构水平和竖向地震响应的峰值和均值都有较好的减振效果,减振率最高可达 65%,尤其是大摆角时减振效果明显优于传统的悬吊质量摆。     

地基土-非线性单自由度结构相互作用体系在随机地震作用下的加权等效线性化分析法

本文对地基土——非线性单自由度上部结构相互作用体系在随机地震输入下的响应问题作了初步研究,在Booton-Caughey的等效线性化方法基础上,提出了一个加权等效线性化方法.本文非线性模型采用具有滞回环特性的非线性系统.引入了等效对角阻尼矩阵,使得在用振型分解法求解结构的随机响应时,可以处理一般阻尼,而不必假设Rayleigh阻尼.最后以一水塔结构的相互作用体系为例,求出了该非线性体系在平稳Gauss过滤白噪声激励下的非平稳响应,并将其结果与Monte-Carlo法的统计结果进行了比较,同时讨论了采用不同样本条数对Monte-Carlo法统计结果的影响.     

一致激励条件下非线性工程场地地震动相干函数分析

在地震动过程中,土介质中的剪切波速往往出现显著的降低现象,体现出强烈的非线性性质。本文将随机振动的虚拟激励原理、土非线性分析的等效线性化方法与工程波动理论散射问题的求解方法相结合,建立了开放系统中一致激励条件下考虑岩土介质非线性的工程场地地震动随机场数值模拟方法。该方法将随机输入下的波动分析问题转换为虚拟激励下的确定性波动分析问题,非线性土体峰值剪应变的统计特征可通过剪应变均方差和峰值因子获得。结合具体算例及M on te—C arlo模拟方法对所提出方法的合理性进行了验证,在此基础上应用该方法对一致激励下实际工程场地的地震动相干性进行分析,结果表明场地的局部条件对地震动相干性有重要影响。     

地下隧道抗震安全性分析方法

针对设计地震动的变异性,提出了地下隧道抗震安全性分析的蒙特卡罗方法。1建立地下隧道非线性地震响应分析模型。采用粘弹性边界方法和地震动输入等效节点力方法模拟半无限场地的地震激励,结合通用有限元软件ANSYS,建立地下隧道地震响应分析模型,模型采用等效线性化方法模拟土体非线性,采用瑞利阻尼和材料阻尼相结合方法模拟土体阻尼,分别考虑衬砌中混凝土和钢筋的非线性,并考虑衬砌和土体之间的接触问题。2确定设计地震动,然后利用模拟产生目标谱符合某一设计地震动时变功率谱的非平稳地震动模拟方法,产生若干条与设计地震动具有同一统计特征的非平稳地震动。3进行样本地震动激励下的地下隧道非线性地震响应分析,求得地下隧道地震响应的变异性。该研究为地下隧道抗震安全性分析提供了一种简单实用的方法,对地下隧道抗震设计有一定的参考价值。     

基于响嘡台阵的土层一维时域动力本构模型的检验

目前大量用于进行土层非线性地震反应分析的等效线性化方法在考虑大震作用时,会出现过大的"共振"效应,造成对地表地震反应的误估。故常采用时域积分方法弥补其缺陷,而土体动力本构模型是决定时域积分方法优劣的关键。在此前的工作中,已提出了一种针对阻尼比拟合的修正UE土体动力本构模型,为验证修正UE模型在进行土层地震反应分析时的有效性及优越性,同时采用等效线性化方法及嵌有不同本构模型的时域积分方法进行了响嘡台阵场地的一维土层非线性地震反应分析,并将不同方法下的计算结果与实际记录进行了对比分析。最后,通过计算分析证明了修正UE模型对响嘡台阵地表地震反应的估计结果是客观有效的。     

等效力控制方法及其在混合试验中的应用

对于大型复杂结构的实时(拟动力)子结构试验,更适宜用无条件稳定的逐步积分方法。隐式逐步积分方法通常是无条件稳定的,然而需要复杂耗时的迭代求解非线性方法。为了避免迭代过程,等效力控制方法用反馈控制求解非线性方程,使隐式逐步积分方法在实时子结构试验中的应用成为可能。本文首先以平均加速度法为例介绍等效力控制方法的原理、关键参数的选取;然后介绍基于等效力控制的能量守恒子结构试验方法和隐式中点法;最后介绍这些方法在以防屈曲支撑阻尼器为试件的单自由度简化结构、以磁流变阻尼器为试件的海洋平台结构的实时子结构试验,以及装配式钢筋混凝土剪力墙结构和框支配筋砌块短肢剪力墙结构拟动力试验中的应用。研究结果表明:这三种等效力控制方法都具有很好的精度,等效力控制方法相对于中心差分法具有更好的稳定性。     

均质土坝非平稳随机地震反应分析

考虑地震荷载的随机性及强度、频率的非平稳性,基于作者提出的适用于非平稳随机过程的一般随机地震动模型,采用虚拟激励法,建立了非平稳随机地震反应分析方法,并将其应用于某实际均质土坝动力分析中。土石坝及坝基体系采用整体有限元离散,坝体和坝基材料的动力非线性性能以等效线性化方法考虑。首先,基于目标加速度时程的强度和能量信息,确定了作为输入的加速度时—频演变功率谱密度;其次,比较了确定性时程动力分析和非平稳随机分析的结果,探讨了频率非平稳随机地震激励下的土石坝地震反应特性;最后,比较了2种不同坝基条件下的土石坝非平稳随机地震反应,探讨了频率非平稳随机激励下的土石—坝基动力相互作用。分析结果表明:地震动的频率非平稳性对土石坝动力反应有一定影响;坝体—坝基动力相互作用在地震过程中的不同阶段表现有所不同,主震阶段的相互作用显著。     

考虑流固耦合作用的深水桥墩地震响应分析

地震作用下,深水桥墩与周围水体的耦合振动是一个非常复杂的动力相互作用问题。本文基于非线性Mori-son方程,采用Airy波浪理论,建立了深水桥墩考虑流固耦合作用的有限元模型,应用Newmark-β法提出了求解该耦合非线性方程的算法,并用ANSYS软件和Matlab软件自编了求解程序。以某跨海大桥深水桥墩为算例,对其进行在地震作用下的非线性动力分析,并与已有计算方法进行对比。结果表明:按本文方法计算的墩顶最大位移、墩底最大剪力及墩底最大弯矩均较大,差异最大达到12.5%。因此在极端海况条件下,对深水桥墩进行地震作用下的动力分析时,建议采用本文考虑流固耦合的方法。     

摩擦摆支座等效线性化参数及隔震设计方法研究∗

首先推导了摩擦摆支座的水平和竖向恢复力公式,讨论了水平位移对竖向恢复刚度的影响;其次针对目前摩擦摆支座隔震设计、分析中存在的不足,重点讨论了基于规范设计反应谱迭代求解其等效线性化参数的实施流程和需要注意的问题;提出了一种综合隔震周期目标和摩擦力影响粗定等效曲率半径,并根据静轴力分布情况选择摩擦系数大小的摩擦摆支座隔震方案布设方法;最后结合实际工程案例,对比分析了橡胶支座隔震方案和摩擦摆支座隔震方案在不同组合工况下对支座内力、位移的隔震效果及其分布情况。结果表明：两种隔震方案均能达到降度设计的隔震目标,后者由于受三向耦合影响,各支座上的内力分布较前者的离散性更大;摩擦摆支座有可能出现受拉现象,应用中需注意设置抗拉构造措施;摩擦摆支座隔震方案中应重视空间扭转问题和控制支座抬升量。     

基于反应谱法的多点激励下桥梁结构抗震可靠性分析

基于随机振动理论,利用多点非一致地震力激励理论方法,分析了大跨度桥梁结构的抗震可靠度反应谱计算方法,并且给出结构峰值反应的均值、标准差计算公式,克服了既有设计方法不能给出标准差而无法直接进行可靠性分析的缺点,并利用简化后的复杂参数分析方法,在保证数据准确性的同时提高了计算效率。最后,以一刚构桥为例,对多点激励下桥梁结构抗震可靠度反应谱法加以计算,并与一致激励下的结果相比较,从而说明本文方法的可靠性。     

基于软土场地实测记录的三种土层地震反应分析方法可靠性研究

软土场地地震反应计算分析方法是公认难题。以日本KiK-net强震观测台网中所有软土场地井下记录为样本,对传统等效线性化方法SHAKE2000、时域非线性方法DEEPSOIL和频率一致等效线性化方法SOILQUAKE三者在软土场地地震反应分析计算中的可靠性进行对比检验。检验工况包括KiK-net井下台网中地表峰值加速度不小于0.05 g的所有水平软土场地的总计309台次的加速度记录,涉及24个台站,土层厚度28 m～240 m,地表峰值加速度范围0.050 g～0.580 g。对比结果表明:烈度6度和7度偏下(地表PGA在0.12 g以下)的较弱地震动下,对三类、四类和巨厚场地,SOILQUAKE、SHAKE2000和DEEPSOIL三个方法计算结果相差不大,与实际记录较为接近,皆可采用;烈度7度中上以上(地表PGA在0.12 g以上)的较强地震动下,无论是三类、四类和巨厚场地,DEEPSOIL和SHAKE2000计算出的地表PGA和反应谱较实际记录偏小,且随地震动强度增加差距急剧增大,甚至小于井下输入,而SOILQUAKE计算出结果与实际记录基本相当,可体现出软土场地放大作用,也证明了频率一致等效线性化方法的有效性。     

考虑斜拉索刚度、垂度、阻尼的非线性运动方程研究

随着斜拉桥跨径的快速增长,斜拉索的长度也大大增加,斜拉索是斜拉桥的主要受力构件,其在外荷载作用下经常引发大幅振动,这样就降低了斜拉索的寿命或造成拉索的破坏,因此研究斜拉索的非线性运动方程对解决振动问题具有实际工程的意义。本文在考虑斜拉索非线性静平衡曲线、抗弯刚度、粘滞阻尼影响的斜拉索平面内非线性振动的基础上,建立了斜拉索非线性运动方程。采用Galerkin法解耦了斜拉索非线性运动方程,并运用Runge-Kutta法对其自由振动和周期强迫振动两种情形进行了求解,最后,通过对该索的理论计算数据与原型仿真数据的对比分析,可知上述非线性方程比传统的线性方程更精确。本文的研究为今后斜拉索的非线性分析及其振动控制奠定了一定的理论基础。     

粘滞阻尼减震结构抗震可靠度简化分析

通过设置粘滞阻尼器减小结构的地震反应是一种有效的被动控制方式,为与现行抗震设计水平相适应,减震结构和控制装置的设计也应该以可靠度为基础。本文结合粘滞阻尼减震结构的受力特性建立了此类耗能减震结构动力可靠度分析的实用简化计算方法。首先通过等价线性化方法,给出了层间三线型恢复力模型的等效平均刚度,粘滞阻尼器采用等效线性化的力学模型,建立了安装粘滞阻尼减震结构的等效线性随机分析模型。然后采用随机状态空间方法进行了粘滞阻尼减震结构的地震反应分析,基于层间变形失效准则和首次超越理论分析了粘滞阻尼减震结构的可靠度,并以粘滞流体阻尼器的变形超过其自身极限变形作为阻尼器的失效模式,讨论了粘滞阻尼器可靠度的计算。最后通过一个设置粘滞流体阻尼器的框架结构计算实例,说明了这种方法的运用。该方法可以作为一种实用的方法对振动控制结构在不同破坏状态下的抗震可靠度进行分析,为基于性能的抗震设计和优化提供参考。     

地下结构抗震分析中若干土层模拟方法对比研究

动力时程在地下结构抗震分析中应用广泛,土体动力特性的准确模拟对动力时程分析结果有重要影响。介绍了Rayleigh阻尼和Hardin-Drnevich模型的基本理论,验证了等位移边界条件的有效性。从地表加速度响应和加速度幅值沿深度放大两方面,对比分析Mohr coulomb模型、Shake91、Rayleigh阻尼和Hardin-Drnevich模型在2Hz和8Hz正弦波作用下的响应结果。结合理论分析得出:静力Mohr coulomb模型对动力时程分析适用性有限;建议在地下结构抗震分析中采用场地基频与接近地震波主频固有频率计算Rayleigh阻尼参数;Hardin-Drnevich等粘弹性非线性模型比等效线性化方法更适用于地下结构抗震分析。     

考虑SSI效应的基础隔震框架结构抗震性态水平分析∗

目前针对于基础隔震结构的性态水平研究往往基于刚性地基假设,未考虑 SSI 效应对结构损伤的影响。因此,为研究柔性地基上小高宽比基础隔震结构的抗震性态水平,本文以拟建结构为背景,利用 ABAQUS 有限元软件建立该小高宽比基础隔震结构建筑物的有限元计算模型,依据相关规范规定,选取 El?Centro 波、Kobe 波和卧龙波,通过改变土体等效剪切波速设计扩展出 5 种场地,分析了地震动特性、场地条件以及输入地震动加速度峰值对该结构地震反应的影响规律,对该结构的损伤程度进行了统计分析。结果表明：柔性地基上随结构?土体相对刚度比的增大,基础隔震结构的上部结构损伤和隔震层损伤均增大,且上部结构的损伤明显滞后于隔震支座损伤,IV 场地在同等条件下损伤最严重;中长周期地震波对于隔震结构损伤影响较大;选取了层间位移角、隔震层位移作为抗震性态水平的量化指标,基于计算结果,本文初步给出了两类指标与结构?土体相对刚度比的预测公式,提出了不同类别场地下小高宽比基础隔震结构的抗震性态水平划分及其破坏程度的物理描述。     

轴心受压钢筋混凝土柱等效火灾荷载的计算

迄今为止，国内外有关计算构件耐火极限的方法，是钢筋混凝土构件与防火研究的主要内容。而在结构设计中，由于直接考虑的是荷载作用，为此提出了一个新概念——等效火灾荷载，将火灾对结构的影响直接考虑成荷载作用。在确定了混凝土柱的截面温度场后，利用一种简化计算方法计算出钢筋混凝土柱的等效火灾荷载，进而计算出钢筋混凝土柱的耐火极限。在火灾中，作为结构最基本的构件柱可能受到单面或多面的火作用，这里仅介绍轴心受压钢筋混凝土柱等效火灾荷载的计算。     

工程场地基岩设计谱反演方法

地表设计谱可以直接由抗震设计规范确定,而基岩设计谱主要通过专门的地震危险性分析获得。地震危险性分析方法会受到潜在震源区划分、地震活动性参数、基岩地震动衰减关系等诸多环节的影响,且该方法未考虑基岩上覆场地的场地条件,由此获得的基岩设计谱与规范确定的地表设计谱常常并不协调。本文针对基岩设计谱确定困难这一问题,提出了工程场地基岩设计谱反演的一个方法。基于一维层状场地波动理论,利用等效线性化法考虑场地土的非线性,通过地表设计谱反演得到基岩设计谱。土层等效剪应变取各样本等效剪应变的平均值。该方法得到的基岩设计谱符合上覆场地的非线性动力特性,具有一定的工程应用价值。     

盾构隧道横断面反应位移法在ABAQUS软件中的开发及工程应用

依据现行规范中的反应位移法计算框架,利用通用有限元软件ABAQUS的二次开发接口,研发了针对盾构隧道横断面反应位移法的高效自动化计算软件ARCS(ABAQUS-Response deformation method of Crosssection System,简称ARCS)。该计算软件调用自行编制的一维地层地震响应等效线性分析程序,计算场地非线性地震响应;然后建立隧道横断面有限元模型,将地层相对位移、结构惯性力和结构与周围土层剪力等信息赋予模型并提交计算,完成后输出结构内力图,实现了整个流程的一体化及自动化操作。文中给出了Python语言与Fortran语言在ABAQUS环境下联合开发、ABAQUS中非线性弹簧自动定义、ABAQUS直接输出隧道结构内力图等问题的解决方法。结合某地铁盾构隧道典型横断面,对软件性能进行了验证,结果表明：该计算软件能够准确高效进行反应位移法模型求解。该软件有利于提高反应位移法的实际应用效率,对ABAQUS二次开发应用也具有一定参考价值。     

地震作用下土⁃结构相互作用的简化时程分析∗

基于黏弹性边界和将场地地震反应转化为等效荷载的有限元直接法是目前进行土?结构相互作用分析的常用时程分析方法之一。该方法具有严格的理论基础且计算精度较高,但在商业有限元软件中施加黏弹性边界和由场地反应确定的等效地震荷载时,需要使用者编制程序书写命令流文件。本文建议一种动力时程简化分析模型, 即计算模型侧边界采用滚轴或绑定边界、底边界强制自由场反应。首先基于一维等效线性化场地反应分析软件 EERA,明确了分别给定岩石地表记录、基岩记录和场地地表记录条件下,正确实现场地反应分析的做法,表明在相同地震下三种分析能够得到相同的场地反应结果;然后给出动力时程简化分析过程;最后通过一层两跨地铁车站的地震分析,表明该方法具有较高精度,满足工程需求。