附设黏滞阻尼器的RC框架结构抗震韧性评估

为研究黏滞阻尼器对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构抗震韧性影响,基于增量动力时程分析方法,对附设黏滞阻尼器的RC框架结构开展抗震韧性能力评估。结合FEMA P-58以及我国抗震韧性评价标准,将主要受损构件的修复费用、修复时间曲线以及易损性信息按实际情况进行相应修正,并对无控结构和有控结构的修复费用、修复时间和人员伤亡等主要抗震韧性指标进行对比分析,明确了黏滞阻尼器对RC框架结构抗震韧性的影响。研究表明,在RC框架结构中适当设置黏滞阻尼器不仅能够减小结构地震响应、降低结构破坏概率,还能有效提升结构抗震韧性。

基于组合性能指标的立面差异化锈蚀桥墩时变抗震韧性研究

为了研究立面差异化锈蚀桥墩在全寿命周期内的震后可恢复性能,该文基于结构震中响应和震后状态提出了一种“先判定损伤等级后评估可修复程度”的桥墩抗震韧性概率评价方法。以地震易损性分析为基础,基于最大位移角-残余位移角组合指标构建桥墩震后可恢复性曲线,给出桥墩各级破坏状态下多级可修复程度的概率计算方法。根据海洋环境的腐蚀特点,建立了立面差异化锈蚀桥墩的有限元模型,通过Pushover分析研究了全服役期内桥墩抗震性能的退化规律。采用增量动力分析(IDA)方法对不同服役年限的桥墩进行地震易损性分析,根据墩顶最大位移角定义桥墩破坏状态、以峰值加速度(PGA)表征地震动强度,从而建立起桥墩时变地震易损性曲线。以残余位移角为参考指标,对桥墩不同服役时间的各级破坏状态进行震后可修复程度的分类与统计,通过构建可恢复性曲线实现桥墩不同破坏状态下各级修复难度的概率评估。研究结果表明,随着服役时间的增长,钢筋锈蚀会导致桥墩抗震性能的不断退化。相比未锈蚀情况,桥墩服役100年后,承载力下降约20.22%,而侧向变形能力降幅可达75.30%。同时,随着服役时间的增长,桥墩各级破坏状态的地震失效概率逐渐增大,且震后修复难度也随之提高。当PGA为0.6 g时,桥墩从未锈蚀到服役100年,发生严重破坏的超越概率由16.92%上升到了35.66%,而震后需要简单修复的概率由14.17%上升至26.49%,并出现了较难修复和难以修复的情况。

可考虑温致位移时滞的大跨桥梁支座劣化预警技术

为实现对大跨桥梁支座性能劣化的准确判别,提出了一种考虑温致位移时滞的大跨桥梁支座性能劣化预警方法.首先,分析了温度效应下支座滑动的力学行为,揭示了支座性能劣化前后温致位移的变化特征;其次,建立了可考虑温致位移时滞的门控循环单元GRU网络模型,对支座温致位移进行预测,并提出了可剔除温度效应影响、凸显支座性能劣化的温致位移预测残差TDPE预警指标;最后,基于某大跨桥梁的监测数据,验证所提方法的有效性.结果表明:GRU网络模型可以自适应剔除支座温致位移的时滞效应,对支座位移具有较高的预测精度,预测误差在5 mm以内;TDPE预警指标可以实现支座温致位移4 mm以上的异常增量预警.

500m口径射电望远镜(FAST)索网结构风致破坏概率评估

大跨空间索网结构风敏感性突出,极易遭受风荷载影响。针对目前缺乏此类结构抗风性能评估方法的问题,以大跨空间索网结构FAST为例,提出一种基于实测风场数据的风致破坏概率分析方法。采集1971年~2020年结构所处地区的大量实测风速数据,通过概率分布拟合建立场地的风灾危险性模型。建立FAST的精细化有限元分析模型并模拟风荷载时程输入,采用非线性动力时程分析对结构的风振反应进行计算,基于概率性需求模型绘制易损性曲线。最后,结合得出的风灾危险性和结构易损性,计算得出FAST结构在所处场地实际风灾环境中的破坏概率。研究表明:该地极限风速为17m/s,风速在0~10m/s的概率最大;在120°、210°和300°风向角下,下拉索均为易损构件,210°风向角上吸风对索网结构最不利;在最不利风向角下,结构达到轻微破坏、中等破坏和严重破坏的总破坏概率分别为1.8359×10^(-4)、1.1499×10^(-5)和1.3202×10^(-6)。

桥梁承载能力多水准可靠度评定方法

为在中国桥梁评定规范中引入“保守设计,非保守评定”的思想,提出一种“新-旧桥”两水准可靠度评定方法.对比分析了中、美桥梁评定规范分析检算公式、评定可靠指标和分项系数的异同,并将美国规范通过折减活载分项系数调整评定可靠度的方法引入中国规范中.首先提出了将新桥设计可靠指标折减0.5作为旧桥评定可靠指标的方法,之后通过一次二阶矩方法对不同受力形式、不同荷载运营状况的评定活载分项系数进行校准,给出了“新桥1.4,旧桥1.2”的评定活载分项系数取值建议,最后通过一个RC简支T梁桥评定算例验证了方法的可行性.结果显示,所提出评定方法与规范方法相比最不利需求能力比降低了0.07,实现了在役旧桥的非保守评定.

考虑频响函数混叠误差的阻尼比识别效果研究

通过实测频响函数识别阻尼比时,识别准确性受到频谱混叠现象的影响,因此建立了考虑频响函数混叠误差的阻尼比识别有效性判断方法.首先,根据傅里叶变换原理进行理论推导,证明了采样频率不足时频响函数会发生混叠现象;然后,根据频响函数混叠原理和模态叠加原理,建立了多自由度结构的基准频响混叠误差拟合公式,进而给出考虑频响函数混叠误差的阻尼比识别结果有效性判断的步骤.通过对两自由度理论频响函数模型设置不同的等效柔度比和固有频率比,表明其对两阶模态计算频响混叠误差有显著影响;通过对比四层框架结构基准模型的响应在设置不同采样频率时对阻尼比的识别结果,验证了所提方法的可行性.

考虑挠度和转角约束的桥面连续段受力计算方法研究

采用桥面连续构造替代伸缩装置是降低简支梁桥维护成本、实现接缝终身免维护的有效途径,但现有桥面连续段受力计算方法过高估计其承受的荷载,使得设计配筋量显著增加,不仅提高了建造成本,而且增大了桥面连续段对主梁的约束作用,改变了桥面连续构造的受力状态,难以满足对其进行合理设计的需求。针对此问题,提出一种基于主梁对桥面连续段挠度和转角约束下二者变形协调的桥面连续段受力计算方法,并将计算结果与试验值以及现有桥面连续段受力计算方法所得结果进行对比。结果表明,所有桥面连续段受力计算方法所得结果均大于试验值,但本文所提出的方法计算结果最小,与试验值吻合最好,钢筋应力的误差范围在1766%~3027%,验证了所提方法的有效性。最后以桥面连续混凝土简支T梁桥为例,给出了便于应用的确定桥面连续段受力的方法,且所提方法物理意义清晰,计算流程简便,预测精度更高。

中小跨径桥梁结构健康监测系统轻量化设计方法

从桥梁监测的工程需求出发,深度剖析了中小跨桥梁与大跨径桥梁监测需求的区别,首次提出了中小跨径桥梁结构健康监测系统轻量化设计理念,系统构建了由输入、输出和标定三者组成的监测系统轻量化设计方法和流程,详细阐述了支撑该方法实现所需的系统识别理论、结构分析理论和承载能力评估理论,文末对该方法的未来发展进行了初步展望。该方法为规范中小跨径桥梁结构健康监测技术提供了一条切实可行的思路,推进了桥梁智慧管养的工程实用化进程。

多灾害作用下工程结构分析与设计方法研究进展

我国是世界上自然灾害最严重的国家之一,灾害种类多样且分布广泛,部分地区存在着多灾害聚集分布的现象,各类灾害给区域内的工程结构安全带来了巨大的威胁。为推进我国工程结构抗多灾设计理论的发展,对国内外建筑结构、桥梁工程等领域的多灾害研究现状进行了系统的综述。对灾害学领域与工程领域的多灾害概念进行了梳理并建立2个领域间的多灾害概念联系,分析我国不同区域多灾害类型的分布情况,总结归纳工程领域多灾害模型的建立方法,论述不同灾害及灾害组合作用下的工程结构分析方法。最后,阐述工程结构抗多灾风险评估与设计方法的研究进展,为进一步开展工程结构的抗多灾研究提供参考。

弹簧摆碰撞调谐质量阻尼器减震性能优化研究

为了提高弹簧摆碰撞调谐质量阻尼器(spring pendulum pounding tuned mass damper,SPPTMD)的减震性能,采用粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)对其关键参数进行了优化。推导了SPPTMD减震系统的运动方程,同时建立了系统的仿真分析模型。选取阻尼器频率比、内共振系数和碰撞间隙为优化变量,以结构峰值响应最小为优化目标,编制了SPPTMD优化程序。对比了优化前后SPPTMD在不同场地上12条地震动作用下的减震效果。研究结果表明:SPPTMD的最优参数与场地类别相关;优化后阻尼器的减震性能有明显提高,其中,Ⅳ类场地优化效果最好。

基于模态参数指标的空心板梁桥铰缝损伤对比研究

模态参数反映结构动力特性,基于模态参数的损伤指标能反映结构动力特性的变化,可用于桥梁结构损伤识别。以模态参数构成的损伤指标众多,每个损伤指标通过自身的变化来识别损伤,但难以用统一标准对不同损伤指标的识别效果进行量化对比。针对空心板梁桥的铰缝损伤,提出一致性量化指标,从数据层面定量描述指标的损伤指示效果,便于各类损伤指标的对比和应用。首先根据模态参数损伤指标,构造一致性量化指标,定量描述不同损伤指标的识别效果;然后建立空心板梁桥及其铰缝损伤的有限元实体模型,模拟3种不同铰缝位置处的损伤工况,对每处损伤分别设置6种不同损伤程度;最后应用一致性量化指标对比各损伤指标的识别性能,总结不同工况下各损伤指标识别效果的变化规律。分析表明,一致性量化指标能够在不同工况下定量描述不同损伤指标的识别效果。

采用自适应Woodbury公式的框架结构高效动力分析与易损性计算方法

地震易损性分析是评价工程结构抗震安全性的重要手段,但在计算过程中通常需进行大量的动力时程分析,这导致其计算效率通常较低。该文旨在建立框架结构强震下的高效动力分析与倒塌易损性计算方法。使用纤维梁单元建立框架结构数值分析模型,引入隔离非线性理论进行局部材料弹塑性行为模拟,并通过对考虑P⁃Δ效应的几何刚度进行矩阵分解和摄动变换,提出了能够同时对局部材料弹塑性行为和几何非线性行为进行隔离表达的纤维梁模型控制方程,结合Woodbury公式进行控制方程求解,所提方法在结构动力非线性分析时能够避免整体刚度矩阵的反复更新,显著提升了求解效率;为克服动力Woodbury公式对时间步长选取的限制,进一步建立不同时间步长下该公式中相关系数矩阵的预处理机制和自适应调度机制,提出了基于自适应Woodbury公式的框架结构高效动力分析方法,在此基础上结合多条带法,建立了结构倒塌易损性曲线的快速计算方法。使用一个9层框架结构验证了所提方法的高效性和准确性。

格构式塔架结构多源异构监测数据融合及动态位移重构研究

结构动态位移响应在结构健康监测和振动控制领域具有重要意义,但格构式塔架动态位移的准确测量仍是一项具有挑战的任务。提出了一种综合利用高采样率加速度和低采样率应变的数据融合方法,实现了格构式塔架动态位移的准确重构。提出适用于格构式塔架的应变⁃位移映射方法,可以由若干个测点应变计算出任意点的动态位移;使用多速率卡尔曼滤波算法将应变导出位移与加速度相融合,以进一步提高位移采样率和精度。采用某输电塔结构作为数值算例,结果表明:在采样比为100和噪声信噪比为5 dB的情况下重构位移误差分别仅有2.3%和2.11%,证明了所提方法具有高精度。最后开展了某54.5 m高输电塔的真型试验,实测结果进一步验证了所提方法的准确性和可靠性。

台风精细化风雨联合概率分布模型及输电线路失效概率评估

我国东南沿海地区经常发生台风致输电线路倒塌事故,大部分研究将倒塌原因归结于强风作用,而台风登陆常伴随持续的降雨,应同时考虑风和降雨的影响。该研究考虑台风结构不同区域的气象学特点,基于“山竹”、“海高斯”、“查帕卡”3组台风实测数据,根据数据采集时刻气象站所处台风区域(台风眼、螺旋雨带、外围大风区)将所有数据划分成3组。通过相关性分析揭示了风速和降雨强度的耦联关系,进而建立了不同台风区域的精细化风速-降雨强度联合概率分布模型。最后通过某输电线路开展了算例分析,计算了其在不同台风区域内的失效概率。结果表明,提出的精细化风雨联合概率模型能准确地描述风雨联合作用,对工程结构设计和性能评估具有重要参考价值。

考虑地震动转动分量作用的砌体结构易损性分析

为考虑地震动转动分量对砌体结构地震响应和易损性的影响,基于ABAQUS有限元软件平台建立了村镇区域典型单层砌体结构有限元模型,选取层间位移角最大值作为性能指标来分析地震动转动分量对结构响应及易损性的影响;首先,选取三组典型地震动分别进行调幅,研究了结构在不同强度地震动平动和转动分量作用下的地震响应;其次,在PEER数据库选取80条地震动,研究了地震动转动分量对砌体结构地震易损性的影响,建立了地震易损性曲线。结果表明:(1)同时考虑地震动平动分量和转动分量作用时的结构层间位移角最大值比仅考虑地震动平动分量作用时有明显增大,随着PGA的增大,转动分量对结构的影响有增大的趋势;(2)由于地震动转动分量的作用,结构发生不同极限破坏状态时的超越概率均高于仅考虑平动分量作用的情况。该研究成果可为村镇砌体结构抗震设计与性能提升提供理论参考。

一种新型SMA阻尼器的试验和数值模拟研究

利用超弹性SMA丝的耗能能力和自复位能力，提出了一种新型的SMA阻尼器，试验研究了该阻尼器在循环荷载作用下不同位移幅值、不同加载频率和不同初始位移条件下的力学性能，并通过建立的理论模型对阻尼器的力学性能进行了数值模拟。研究结果表明：该新型SMA阻尼器在循环荷载作用下形成稳定的滞回曲线，具有良好的耗能能力和自复位能力;阻尼器的性能可通过调节超弹性SMA丝的初始应变而改变，以满足工程的需要;动力荷载（0．5～2Hz）频率对阻尼器的耗能能力和等效阻尼比影响不大，而恢复力和割线刚度随频率增加而略微增大;数值模拟结果和试验结果吻合较好，建立的理论模型可以对SMA阻尼器进行理论分析。

土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展

土木工程结构健康监测的研究是近年来国际学术研究的热点问题之一,涉及许多不同的研究领域,如数据采集系统、信号处理、结构分析等.阐述了实施土木工程结构健康监测的必要性和迫切性,介绍了结构健康监测系统的概念、组成及其应用,分析研究了结构健康监测系统的各个子系统的功能、特点和实现方法,重点讨论了实现各子系统的理论、方法和存在的若干力学问题,论述了结构健康监测在国内外土木工程领域的应用状况,最后对结构健康监测领域的几个重要问题做了展望.

大跨斜拱桥结构健康监测系统的设计与开发

沈阳伯官大桥是中国首座六跨中承式飘带形提篮斜拱桥,为确保该桥在施工及服役期间的安全,对其设计并安装了一套完整的结构健康监测系统。介绍了安装系统的仪器选型及测点布设方案,监测系统的功能、构成及其实现过程,包括传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理子系统以及状态评估子系统。为满足传感器数量多、分布广、信号测量精度和同步性要求高的需求,自主研发了一套分布式结构健康监测数据同步采集仪器,实现了多类型传感器及多终端设备之间的精准同步采集。该监测系统为实时监测桥梁的响应,在线把握桥梁的性态,合理制定桥梁的养护计划,提供了有效的手段。

基于RTK GPS技术的超高层结构风振观测

结构使用期间,由于各种原因,会造成其不同程度的损伤和破坏,为了保证结构的安全和尽可能地延长它的使用年限,应对其进行实时地健康监测与安全性评估。随着RTKGPS技术的逐步成熟,这一高效、快速、全自动、全天候和高精度的健康监测方法在特大型土木工程中开始应用。以某超高层建筑为背景,设计了基于GPS的风振观测系统,进行了强风下的现场试验;采用小波理论对实测的风速和风压进行了小波量图与小波相干分析,针对小波相干分析中由于噪声引起的伪相干现象建立了基于蒙特卡罗的统计显著性水平估计方法;最后对结构的风振响应进行了模态分析,与有限元数值分析结果吻合较好。

工程结构在多灾害耦合作用下的研究进展

我国地处亚欧板块、太平洋板块和印度洋板块之间,且疆域辽阔、海岸线绵长,这就自然形成了我国地震、强风和降雨等自然灾害频发。工程结构,包括高层建筑、村镇低矮房屋建筑群、输电塔线体系等生命线工程,在其全寿命周期内会遭受地震、强风和降雨等多种灾害的单独或同时作用。传统设计方法基于最不利荷载对结构进行设计,忽略了多种灾害耦合作用对结构全寿命周期抗灾性能的影响。文章总结了该课题组近年来在多灾害研究领域所取得的主要成果,包括:(1)根据中国强震台网中心和中国气象局数据中心提供的地震、风和降水数据,开展了极端事件单独作用和耦合作用的危险性分析;同时,提出了基于Copula函数的联合概率模型分析方法;(2)提出工程结构在多种灾害耦合作用下的性能评估和荷载修正系数计算方法;(3)开展了高层建筑在地震和强风单独作用以及同时作用下的风险分析及荷载修正系数计算;进行了村镇低矮房屋在地震和洪水耦合作用下的风险分析;对风雨耦合作用下的输电塔线体系进行了易损性分析。结果表明:(1)在考虑灾害发生概率时,不同灾害(例如,地震、强风和降雨)同时作用对结构性能评估具有显著影响;(2)由本文方法计算的荷载组合系数均不小于规范值,建议对现行规范中地震和风荷载的设计强度进行适当修正。因此,在对工程结构进行抗多灾耦合作用的性能分析和设计方法研究时,应综合考虑多种灾害的耦合效应。