基于向量式有限元的网壳结构地震易损性分析

为解决网壳结构地震易损性研究中,增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)所面临的结构非线性分析耗时长且求解困难的问题,提出了一种基于向量式有限元的IDA方法。首先,以一个Kiewitt-8型单层球面网壳为例,验证了向量式有限元方法求解结构地震响应的准确性,其次选取12个不同参数的Kiewitt-8型单层球面网壳为研究对象,并考虑材料不确定性进行IDA分析,以地震峰值加速度与结构最大节点位移比为参数,绘制了结构在地震作用下的IDA曲线和轻微破坏、严重破坏及倒塌这三种性态下的易损性曲线。结果表明:向量式有限元能高效且准确的求解网壳结构的地震响应,屋面质量和矢跨比的增加均会增加三种性态点的超越概率;对于本文的网壳结构算例,求解时间仅为传统有限元方法的1/15,误差在3%以内,屋面质量和矢跨比的改变导致地震危险性最大增加了75%。

钢筋混凝土烟囱洞口受力性能参数分析

为探究影响洞口应力集中现象的最主要参数及洞口补强设计方法,首先开展了缩尺模型试验,分析了洞口周围应力状态,通过对比试验结果与数值模拟结果验证了分析方法的准确性;随后建立了49个不同参数的数值分析模型并开展静力弹塑性分析,分别研究了烟囱筒壁厚度、筒壁直径、开洞尺寸、开洞间距等参数对洞口周围应力状态的影响,确定了影响洞口应力集中现象的最主要参数,给出了开洞限值建议,提出了加密配筋设计方法。结果表明:烟囱开设单个洞口时,开洞横截面圆心角应小于70°,开设多个洞口时,总圆心角应小于140°,洞口间距不宜小于0.5倍洞口横向宽度;圆形洞口钢筋补强区域范围宜取4.5倍壁厚,矩形洞口宜取3.5倍壁厚,增加的补强钢筋宜取1.3倍非补强区配筋率;通过地震作用下动力反应分析验证了提出的洞口补强方法可有效减小洞口周围的应力集中程度,改善洞口所在区段的受力性能。

基于空间位形的FAST索网有限元模型修正方法研究

500m口径射电望远镜FAST采用柔性索网作为主要支承结构,在使用过程中频繁张拉索网主索,不可避免的造成主索的预应力损失,使主索的实际受力状态与有限元模型中的计算索力出现偏差,从而影响主索疲劳寿命的评估结果。考虑索网结构的内力分布与空间位形相关,本文根据现场监测数据提出一种基于空间位形的索网结构有限元模型修正方法,首先获取索力数据和节点的坐标数据,然后根据节点的平衡方程和约束条件建立非线性规划数学模型,最后利用序列二次规划算法(SQP)求解实现结构有限元模型的修正。数值模拟结果显示,索力误差在10%范围内的索数目占比由修正前的56.8%提升到87.7%,修正后有限元模型与实际受力状况更为接近,验证了该方法的可行性。本文所提出的方法不仅可以用于修正FAST索网结构的有限元模型,同时也可为其他类似的大型索网结构模型修正提供参考。

基于非线性超声理论的销轴连接承载状态监测

针对传统线性超声方法对于界面接触状态的微小改变不敏感的问题,提出了基于非线性超声理论的销轴连接承载状态监测方法。首先,分别在销轴和耳板上各安装1个压电陶瓷片用于发射和接收超声波信号,利用非线性超声理论分析接收信号的2次谐波来识别销轴连接的荷载;其次,对超声波在销轴和耳板间的传播机理进行理论研究,基于粗糙界面的接触声学非线性原理建立了线性和非线性特征参数与界面压力之间的关系;最后,通过销轴连接装置的试验研究,对理论分析结果进行验证。结果表明,线性特征参数无法识别出销轴连接状态的微小改变,而基于2次谐波的非线性特征参数能有效识别全部试验荷载工况下销轴连接状态的改变。

压电阻抗法中PZT片的形状选择研究

压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)片是压电阻抗法中普遍使用的传感器,首先,对厚度相同且面积相近的圆形、正方形、矩形、五边形、梯形PZT片对同一钢板上相同损伤及其严重程度的敏感性进行了对比。然后,利用有限元软件COMSOL对各形状PZT片主表面平面内位移进行了分析研究。结果表明:在压电阻抗法应用中,面积相同的PZT片,圆形、正方形和矩形对损伤及其严重程度的敏感性较优。矩形PZT片对损伤的敏感性具有方向性,对宽度侧的损伤更敏感。就形状这一单一因素而言,压电阻抗法中PZT片的性能差异,取决于其主表面平面内位移一致性。一致性越好,对损伤及其严重程度的识别能力越强。

汶川地震钢筋混凝土框架结构震害调查与启示

为进一步理解汶川地震中一些钢筋混凝土框架结构的破坏原因,根据汶川地震后框架结构震害调查资料,对照《建筑抗震设计规范》所规定的抗震设计原则,对框架结构中的一些典型震害现象及其产生原因进行了总结与分析,主要包括防震缝处的震害,结构竖向刚度、强度不均匀产生的震害,框架梁、柱及节点处的震害,围护结构与填充墙处的震害及楼梯震害.在对震害现象及其产生原因详细分析的基础上,给出了加强框架结构安全性的措施.所得分析结果可为框架结构抗震设计及有关的规范修订提供参考,以保证框架结构在地震中达到"小震不坏,中震可修,大震不倒"的三水准设防目标.

台风“苏迪罗”对福建沿海村镇房屋破坏情况的调研

2015年8月在福建登陆的台风"苏迪罗"对当地沿海村镇房屋造成了很大破坏,为此对福建沿海地区村镇房屋破坏情况和抗风情况进行调研。实地调研发现,被台风破坏的房屋有着共同的特点:小青瓦屋面,整体性差,刚度小,结构老化,连接处薄弱,纵向无抗侧力体系等。台风中沿海村镇房屋的破坏更多是由屋面破坏开始,进而引起墙体破坏,甚至房屋整体坍塌。总结了当地沿海村镇房屋破坏的原因和破坏房屋的主要结构特点,指出了当地沿海村镇房屋建设时存在的一些问题,给出了有利房屋抗风的规划建设和构造措施方面的建议。

图像三维重建法在震损建筑实体建模中的应用研究

震损建筑的震害研究对于建筑的震后安全评估具有重要作用,然而目前仅基于二维震害图像的方法,难以满足对建筑整体震损状况认识的需求。提出了应用图像三维重建法对震损建筑进行实体建模,实现震损建筑的三维模型重建。首先围绕建筑拍摄一系列图像,然后依次应用由运动恢复结构方法进行稀疏重建、多视图立体视觉方法进行密集重建,经尺度变换后,再用泊松表面重建方法进行表面重建,最后通过纹理映射方法重建出真实感强的三维模型。试验分析表明,方法对建筑的重建误差仅为1.5%,能够较好地满足整体震害研究的需要。

多维地震作用下非对称结构利用TLCD减震控制研究

本文提出在结构两正交方向同时设置Ｕ形调液阻尼器（ＴＬＣＤ）用来减小地震作用下的平动－扭转反应。文中建立了结构－ＴＬＣＤ体系在多维地震动作用下的运动方程，分析了系统参数对减震效果的影响，最后通过数值算例，给出了高层建筑平扭耦联地震反应的减震效果。

基于图像识别的震损结构残余变形检测

本文提出一种基于图像识别的残余变形检测方法。该方法运用图像识别技术,通过分析震损结构的图片,得到构件间的夹角,从而确定残余变形。首先,针对实际获得的图片与被测平面之间通常都会存在一定角度、以至无法从斜拍图像直接测量变形的问题,提出基于射影几何原理的直线矫正方法;然后,结合变形检测的需要,在人工参与选取特征点的前提下,运用canny边缘检测法和主成分分析方法,检测目标直线,进而应用直线矫正方法对目标直线进行矫正和角度计算;最后,通过测试图像和实际震损构件图像对方法进行了验证分析。结果表明所提出的方法对变形检测的精度较高,能够适用于震损结构残余变形的快速检测中。

基于互相关函数幅值和SVM的输电塔损伤识别

针对目前输电塔结构损伤识别中需要布设大量传感器的问题,提出了基于互相关函数幅值和支持向量机(support vector machine,简称SVM)的损伤识别方法。首先,定义初始与当前状态结构模态响应近似信号的互相关函数幅值差为损伤特征;其次,将损伤特征作为输入样本来训练支持向量机分类器,将损伤识别问题转化为模式分类问题;最后,利用2层角钢塔模型的振动试验,验证了方法的可行性。该方法仅需要少量传感器测得结构的动力响应,且适用于环境荷载激励,对输电塔结构损伤有较好的识别效果和噪声鲁棒性。

调液阻尼器对偏心结构扭转耦联振动控制的试验研究

通过振动台试验来验证调液阻尼器对偏心结构扭转耦联振动反应的减振效果及理论分析的正确性。设计了一个二层的单向偏心钢结构模型,在结构的顶层放置一个调液柱型阻尼器(TLCD)和一个环形调液阻尼器(CTLCD)并对其参数进行优化设计,在振动台上,分别对结构无控时的反应和设置调液阻尼器后的反应进行试验研究。通过分析结构模型在地震波作用下的加速度和位移响应,结果表明,调液阻尼器能有效抑制结构的在地震作用下的扭转耦联振动,而且同时设置TLCD和CTLCD的减振效果要好于单独采用TLCD或CTLCD时的减振效果。

基于市场机制的TLCD半主动控制方案

基于市场机制控制是利用市场来模拟复杂的控制系统,用销售商和消费者来代替控制器和受控结构,从而将整个控制系统离散化,对结构的振动实施有效的控制。本文将基于市场机制的控制理论应用于TLCD半主动控制,提出了一种新的TLCD的半主动控制方案,即基于市场机制的TL CD半主动控制方案。首先建立TLCD-结构控制体系的运动方程,给出了半主动控制方案,用一个单自由度结构为例来阐述基于市场机制的TLCD半主动控制方案并对控制系统进行分析。然后用一个五层结构来验证这种方法的有效性。结果表明,基于市场机制的半主动TLCD开关控制不仅减振效果好,而且节约能量,简单易行,便于在实际工程中应用。

非线性悬吊质量摆减震控制的等效线性化方法研究

在柔性结构利用悬吊质量摆的减震控制中,按小摆角线性化来分析存在一定的局限性。针对此问题,建立了考虑悬吊质量摆大摆角振动的非线性运动方程。利用等效线性化的方法,将非线性方程转化为线性方程,基于虚拟激励法,提出了等效线性方程的求解方法。以某柔性输电塔结构为例,在不同幅值的平稳随机激励下,分别求解线性方程、非线性方程以及简化后的非线性方程,得到结构体系的响应。结果表明,在大摆角情况下,如果忽略非线性影响,将会产生较大的计算误差;采用本文提出的等效线性方程求解方法,可以保证求解结果与非线性方程的计算结果一致。

大跨人行过街天桥利用MTMD减振控制的理论分析

大跨人行天桥的自振频率通常比较低,与人行走时的频率接近,因此行人通过天桥时容易产生竖向共振,影响天桥的正常使用。本文研究多重调谐质量阻尼(MTMD)系统对大跨人行过街天桥竖向振动的控制作用,首先建立起天桥-MTMD系统的分析模型,推导出系统的传递函数及动力放大系数的数学表达式,继而分析了TMD的数量、阻尼比和频带宽等参数对结构的动力放大系数的影响,为实际工程结构设计MTMD减振系统时提供参考。以沈阳某大跨人行天桥为例,进行MTMD优化设置后,能有效减小天桥的受迫振动和自由振动,从而将振动控制在人体的舒适度范围之内。

环形调液阻尼器(CTLCD)对结构平移-扭转耦联振动控制的参数研究

研究在地震激励下,环形调液阻尼器(CTLCD)对结构扭转反应的振动控制作用。首先建立起环形调液阻尼器在地震作用下的运动方程,采用随机振动理论,导出了在地震作用下环形调液阻尼器振动控制的最优参数。对结构纯扭转的振动问题进行研究,分析了控制系统各参数对控制后结构等效阻尼比的影响。对结构扭转耦联的振动问题进行研究,分析了控制系统各参数对结构平移等效阻尼比和扭转等效阻尼比的影响。结果表明,环形调液阻尼器是一种有效的扭转振动控制装置。

半主动变刚度TLCD减振控制的研究

为改进被动式调频TLCD的减振特性,提出了半主动变刚度TLCD减振系统,基本原理是将调频TLCD的弹簧设置成可调谐状态,在振动过程中,根据减振系统的需要适时调整调频弹簧的开关状态。由Lagrange方程建立起半主动变刚度TLCD的运动方程,以一个单自由度结构体系为算例,分析了可变刚度对系统控制性能的影响。研究了半主动变刚度TLCD的减振性能。通过一个五层结构的算例,分别在谐波和地震波作用下,验证了半主动变刚度TLCD对多自由度结构体系的减振特性。结果表明,半主动变刚度TLCD具有更宽的减振频带,在TLCD的频率和结构振动的频率存在误差时,仍能保持较好的减振效果。

基于模型参考的结构非线性自适应减振控制

本文针对非线性结构振动控制问题,提出了一种将线性二次型最优(LQR)控制算法和模糊控制算法相结合的自适应减震控制方法。以原线性结构,即名义系统作为参考模型,基于参考模型设计了LQR控制器,并利用遗传算法优化LQR控制器的加权系数;将结构振动中的非线性部分作为不确定参数,以此来设计模糊控制器,弥补了结构非线性部分对振动控制的影响。最后,通过钢筋混凝土非线性结构算例验证本文所提算法的有效性。结果表明:强震作用下,结构构件会产生屈服进入非线性阶段,而基于线性参考模型设计的LQR控制器并不适用于非线性结构;模糊控制器可以补偿结构非线性产生的影响,达到自适应减震控制的目的。

基于压电阻抗技术的阻尼液黏度监测方法

针对粘滞阻尼器中阻尼液黏度会发生变化且黏度不易被直接监测的问题,该文提出了一种基于压电阻抗法的阻尼液黏度监测方法,在阻尼器中安装压电传感器,通过测量传感器的机电阻抗值来确定阻尼液的黏度。为验证所提方法的有效性,制作了一个阻尼装置的模型并安装压电传感器,在其中放置不同黏度的阻尼液时测量压电传感器的阻抗值。结果表明,随着阻尼液黏度的增大,阻抗曲线的峰值频率逐渐减小,而实部电阻值逐渐增大。定义的黏度监测指标能够成功反应阻尼液黏度。

下击暴流作用下单层球面网壳倒塌破坏研究

针对大跨空间结构在下击暴流作用下破坏规律尚不明确的问题,本研究分析了下击暴流作用下K8型单层球面网壳结构的破坏模式与失效规律。基于确定性-随机性混合模型模拟了下击暴流风场,其中平均风的模拟采用Wood竖向风剖面模型和Holmes经验模型,脉动风的模拟则采用自回归模型。基于向量式有限元分析方法,考虑结构的几何非线性、材料非线性及构件断裂准则,对下击暴流作用下不同矢跨比的网壳结构进行弹塑性时程分析及连续倒塌过程模拟。通过研究矢跨比分别为1/3、1/5与1/7时,结构节点位移幅值的变化及下击暴流平均风荷载与总风荷载对结构破坏模式的影响,探究单层球面网壳结构在下击暴流作用下的失效规律。研究结果表明:下击暴流作用下单层球面网壳结构的失效主要是由结构杆件屈曲所致,且平均风的影响占主导地位,决定着结构的破坏模式,而脉动风则使得结构响应加剧,破坏时间提前。此外,随着结构矢跨比的增大,结构的体型系数与受风面积随之变化,进而影响结构的破坏模式,使其由局部杆件渐进式屈曲失效的模式向结构整体瞬时失效的模式转变。研究成果可为大跨空间结构的抗下击暴流设计提供参考。