桅杆结构有限元模型修正与参数敏感性研究

基于台风“圆规”激励下的实测加速度响应识别了深圳356 m高气象梯度观测塔的模态参数,结合带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对气象塔有限元模型进行修正。结果表明:气象塔模态非常密集,且纤绳模态的参与程度较为显著。气象塔X向和Y向的基频分别为0.614 Hz和0.603 Hz,其前3阶弯曲模态阻尼比在1%~2%之间。塔身密度、纤绳弹模对塔身模态频率和振型有显著影响,高层纤绳的线质量和塔身弹模对其也有一定影响,但纤绳张力的影响较低。气象塔有限元模型修正后的风致响应高于修正前,并更接近实测结果,验证了修正模型的准确性。

不同储粮工况下柱承式立筒仓结构动力特性

柱承式立筒仓广泛应用于国家粮食储备,不同储粮工况对其结构动力特性影响显著。为揭示粮食散体对柱承式立筒仓动力特性的影响规律,结合某实际柱承式立筒仓设计制作了缩尺比例为1/25的有机玻璃筒仓模型,在空仓、半仓、3/4仓和满仓4种储粮状态下,进行了振动台模态试验、有限元数值分析和自振频率理论计算。结果表明:不同储粮工况对柱承式立筒仓试验模型的固有频率影响显著,随储粮状态变化,固有频率减小幅度较大,应在结构设计中加以考虑;空仓状态下阻尼比最小,满仓状态比空仓增大42.65%,仓内原有储粮越多,阻尼比增值越大,减震耗能效果越明显;有限元模型一阶固有频率与试验值平均误差为5.1%,所建有限元模型较为合理,为结构动力响应分析及结构设计提供一种合理的数值模拟方法;简化的三质点串联多自由度的弹性动力模型较为准确计算柱承式立筒仓在4种储粮工况下的固有频率,试验值与理论值平均误差为5.6%。研究结果可为柱承式立筒仓结构动力特性计算提供参考,为其抗震性能设计提供理论基础和试验依据。

基于环境激励的厦门财富中心动力参数实测分析

为揭示环境激励下不同测点反映的模态信息情况,在厦门财富中心布置结构台阵获取环境激励下的结构振动响应。采用Welch平均周期图法获得功率谱密度(power spectral density,PSD)曲线,并在此基础上识别结构模态参数。比较不同测点的PSD曲线和模态识别结果,并与有限元结果进行对比。结果表明:1)结构基底、自由场地和基岩场地三个测点PSD曲线在0.1~1.0 Hz频段高度相似,该频段是由场地次级微地震引起的;不同之处在于结构基底测点PSD曲线Z向峰值是结构竖向基频,而自由场地峰值是场地基本频率。2)结构低楼层测点主要反映其测试方向上的模态频率,而高楼层测点能够反映多方向的模态频率。高楼层测点反映的模态信息更丰富,但易受到密集模态的影响。3)有限元结果与实测结果接近,表明有限元模型可以较好地反映结构的真实动力特性。

胶囊形气膜结构风致气弹响应及风振系数研究

针对1/3矢跨比胶囊形气膜结构进行了气弹模型风洞试验,研究了结构的风致气弹响应变化规律,并给出了可供设计参考的风振系数。研究发现:结构平均变形呈迎风面凹陷,顶部隆起,横风向向外凸出的趋势,且这种变形趋势随着内压减小和风速增大越来越明显。0°风向角时的平均变形和振幅大于45°风向角时的平均变形和振幅大于90°风向角时的平均变形和振幅,结构合位移均值的极值出现在迎风面与顶面中心点;0°和45°风向角下,顶点竖向振幅>顺风向振幅>横风向振幅,结构以1阶模态振动为主;90°风向角下,顶点横风向振幅大于其他两个方向,结构以1阶和2阶模态叠加振动为主。各工况下结构的内压均有不同程度的减小。最后给出了考虑流固耦合效应的响应风振系数。

隐变量模型及其在贝叶斯运营模态分析的应用

贝叶斯FFT算法是运营模态分析的最新一代算法,以其准确性高、计算速度快、可有效进行不确定性度量等优点受到广泛关注。然而,现有贝叶斯FFT算法针对不同情况(稀疏模态、密集模态、多步测试等)需采用不同优化算法,且编程实现极为复杂。为此,本文旨在提出针对不同情况的贝叶斯FFT算法的统一框架,并实现模态参数的高效求解;视结构模态响应为隐变量,建立贝叶斯模态识别单步测试和多步测试的隐变量模型框架;针对提出的隐变量模型运用期望最大化算法实现各种情况下模态参数的统一贝叶斯推断,利用隐变量解耦模态参数优化过程,采用Louis等式间接求取似然函数的Hessian矩阵。通过两个实际工程测试案例,并与现有方法对比,验证所提方法的准确性和高效性。分析结果表明,本文所提算法与现有方法结果相同,但其推导简单、易编程,尤其对于密集模态识别问题具有明显的计算优势。本文为贝叶斯模态识别建立起统一的隐变量模型框架,在很大程度上简化原本繁琐且冗长的推导过程,提高计算效率,同时也为应用变分贝叶斯、吉布斯采样等算法求解贝叶斯模态识别问题提供了可能。

基于Hertz模型的海洋立管束碰撞力计算方法研究

立管是海洋油气开采的关键设备之一,其在流致振动作用下,相邻立管可能会发生振动碰撞损伤。基于Hertz模型,针对不同夹角下的两根立管碰撞的碰撞力计算开展研究。借助有限元方法探讨海洋立管局部碰撞过程,立管的直径选取为工程应用较为广泛的30.48 cm,截取长度基于相关碰撞参与长度来确定,径厚比范围为16~60,分别设置立管碰撞时的速度为0.25 m/s、1.5 m/s、2.4 m/s和3 m/s,分析两根立管夹角和立管径厚比等对于Hertz模型计算精度的影响。研究发现:两根立管夹角越小和径厚比越小,Hertz模型得到的碰撞力误差越大;通过在Hertz模型中添加与径厚比相关的系数,对Hertz模型进行了修正,最终得到了关于立管束碰撞力的精确计算方法。

矩形平面投影气膜结构风振响应特性及风振系数研究

近年来,矩形平面投影气膜结构被广泛应用于大跨度气膜煤仓等设施中,但是规范中尚无该类结构的风振系数。本文通过风洞测压试验,测量了典型矢跨比矩形平面投影气膜结构的风荷载;运用非线性动力时程分析法分析了结构的风振响应。研究了风速、风向、跨度、矢跨比和内压等参数对结构变形和响应极值的影响。结果表明:结构呈现迎风面及背风面凹陷、顶部和两侧向外凸的平均变形特征;极值响应的分布受结构参数和风向角的影响;响应的大小与跨度和矢跨比呈正相关;增大内压在一定程度上可以提高结构的抗风性,内压调控区间建议为400~500Pa;给出了可供抗风设计参考的位移风振系数及应力风振系数。

地震动持时和不同持时指标对结构地震响应的影响

选取70条具有不同持时的天然地震波,并采用5%~75%重要持时将谱匹配后的地震记录划分为长、短持时地震记录集,对10层RC框架结构进行IDA分析和弹塑性时程分析,研究地震动持时对结构地震响应的影响,进一步选取35条天然地震波,采用有效持续时间、5%~75%和5%~95%重要持时等不同强震持时指标分别截取相应的加速度时程段,构建不同的地震记录集,分析不同持时指标对RC框架结构峰值响应和滞回耗能的影响。研究结果表明:在相同的地震动强度下,长持时地震动会导致更大的结构层间变形和结构倒塌概率,且随着持时的增加,结构总滞回耗能大幅增加;在罕遇地震水准下,可选取有效持续时间和5%~95%重要持时指标用于结构层间变形和楼层峰值位移分析,而在极罕遇地震水准下,选用有效持续时间具有更高的可靠性;对于楼层峰值速度,不同地震集计算结果均值和变异系数未表现出明显差异;在相同地震动强度下,建议优先选用有效持续时间用于结构滞回耗能分析。

HPC端部加强双钢板组合剪力墙的抗震性能

为研究高性能混凝土端部加强双钢板组合剪力墙受力机理及破坏形态,以轴压比、腹部普通混凝土强度等级为关键参数,设计了4片普通试件,7片HPC端部加强试件,运用ABAQUS构建其有限元模型,研究其抗震性能。结果表明:同轴压比下,HPC端部加强试件相比普通试件屈服荷载提高16.30%,峰值荷载提升13.40%;随着轴压比提高,HPC端部加强试件峰值荷载和屈服荷载分别提高7.22%和2.72%,随着轴压比减小,HPC端部加强试件延性提升22.26%;提高腹部腔体混凝土强度等级,HPC端部加强试件的屈服荷载和峰值荷载分别提高13.01%和11.14%,延性提升16.91%。

有无脉冲近断层地震转动分量对不同高宽比结构动力响应影响

建立3个不同高宽比的钢框架结构模型,选取有、无速度脉冲近断层地震波各5条,利用频域法合成地震动摇摆分量和扭转分量,考虑地震动平动、平动耦合摇摆、平动耦合扭转3种工况输入,对结构地震响应分析。结果表明:(1)相比地震动平动分量单独作用,平动耦合摇摆、平动耦合扭转均会使结构响应增大;有脉冲地震动作用下的增幅高于无脉冲地震动;(2)平动耦合扭转分量对于结构角柱响应的影响最大,边柱次之,中柱较小;(3)随结构高宽比增加,平动分量耦合摇摆分量的中柱响应增幅大于平动分量耦合扭转分量。

随机人群行走下大跨楼盖的动力特性参数及加速度响应的变化规律

依据人在行走过程中变步长、变步频和变步速的关系,建立了一种随机人群步行荷载模型.基于薄板振动理论,推导了考虑人-结构相互作用的人群-大跨楼盖耦合动力方程,并通过编程计算,分析了随机人群作用下大跨楼盖动力特性参数与加速度响应的变化规律.结果表明:人群随机行走下,大跨楼盖瞬时频率先减小、后增大,瞬时阻尼比先增大、后减小;随着行走人数增多,大跨楼盖瞬时频率最小值显著降低,瞬时阻尼比最大值大幅增加,瞬时加速度和均方根加速度均呈先增后减的趋势;不同行走人数下,考虑与不考虑行人随机性时结构的加速度响应差异较大,其中瞬时加速度最大差异率可达到53.90%,均方根加速度最大差异率可达到61.57%.

模态测试不确定性影响因素分析及传感器布置应用

模态测试结果的准确性会受测试数据采集、数据处理、建模假设和参数估计等不确定性因素的影响.为研究模态测试中模态参数的不确定性水平及不同影响因素对其的影响规律,本文采用状态空间模型和费希尔信息矩阵的快速模态参数不确定性分析方法,探讨包括振动信号的采样时长、采样频率、采样信噪比和结构的阻尼比等多种因素对模态参数不确定性水平的影响,同时提出利用模态参数不确定性水平来优化传感器布置策略的实用性建议.结果表明:模态参数的不确定性水平随采样时长、采样频率、信噪比和传感器数量的增加而降低,随结构阻尼比的增大而升高;对于均匀分布结构,多数传感器布置在结构顶部和中上部,少数布置在中下部时,模态参数的整体不确定性水平较低,是一种相对较优的传感器布置方案.

基于卷积神经网络的荷载大小与位置同步识别

结构健康监测和状态评估中现有大多数研究均需要精确的荷载作用位置或详细的荷载时程,为了同时获得荷载大小和位置,构建并训练了同时具备分类和回归能力的两分支卷积神经网络,建立了融合分类问题和回归问题的损失函数,提取结构响应与荷载大小、结构响应与荷载位置间的映射关系.通过数值简支梁算例和三层试验框架验证了该方法识别结构荷载大小和位置的精度.结果表明:噪声条件下数值模型的荷载识别误差在8%以内,荷载位置识别准确率在95%以上;实际结构的荷载识别误差在18%以内,荷载位置识别准确率为100%.两分支卷积神经网络可以很好地同时识别荷载大小和位置.

人行桥在行人荷载激励下的非平稳随机响应

采用虚拟激励法和微分求积法相结合的DQ-PEM法研究在行人荷载激励下人行桥的非平稳随机响应.与以往的虚拟激励法不同的是该方法以简单谱模型为基础,建立行人强迫函数的谱密度,求得多自由度体系人行荷载下的多模态.通过工程算例验证该方法的准确性与有效性,并进一步讨论不同速度和不同约束条件下梁式结构受行人荷载作用的随机振动问题.

地基和基础对建筑物地铁振动响应影响的研究

随着我国地铁建设的飞速发展和城市用地日益紧缺,建筑物与地铁线路的距离越来越近。对于临近地铁的新建建筑,在设计阶段对于建筑结构开展抑制地铁振动的优化设计渐趋必要。以某临近地铁的待建建筑物为研究对象,采用数值仿真方法,对不同基础形式(桩筏基础和筏板基础)及不同地基类型(非挤土地基和挤土地基)建筑物的地铁振动响应进行对比分析,结果表明:桩筏基础抑制地铁振动的能力略优于筏板基础,基础形式变化对建筑物室外振动的影响不显著,且不会改变建筑物室内振动水平随楼层升高的变化规律,基础形式不同使建筑室内振动分布发生变化,但变化的规律性不显著;非挤土地基抑制地铁振动的能力明显优于挤土地基,地基类型变化亦不会改变建筑物室内振动水平随楼层升高的变化规律,但对建筑室外和室内振动响应的影响都较为显著。

“桥建合一”型高架车站实测分析及结构减振优化

针对“桥建合一”型高架车站振动舒适度问题,以某一典型“桥建合一”型高架车站为研究对象,对列车运行引起的楼板振动进行现场实测分析,并基于车桥耦合分析理论,建立高架车站精细化有限元模型,从振源、传递路径和受振体对高架车站进行结构减振优化分析。研究表明:“桥建合一”型高架车站所受车致振动影响严重,站厅层振动敏感区为跨中楼板中心;通过提升轨道梁弹性模量、适度增加层高、在站厅层区域楼板中心布置次梁以及铺设浮筑楼板的方法均可减小楼板振动响应,但单独采取某一结构减振优化措施效果较差;同时采取以上4种结构减振优化组合措施时减振效果良好,减振后楼板中心的最大Z振级为73.15dB,减振量达13.54dB,满足振动舒适度要求。

基于统计公式和小波算法的主余震匹配方法

利用小波算法匹配等效响应谱得到以B、C类场地任意地震波为主震的等效主余震,可为获得人工主余震地震波提供参考依据。选取6条实测主余震序列,从等效主余震和主震、等效主余震和主余震序列两方面对其展开研究,并以一栋6层钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)框架结构为例分析等效主余震的适用性。结果表明:主震主导等效主余震的响应谱和损伤谱,等效主余震较主震产生明显的增量损伤,显示出等效主余震具备与主余震序列基本一致的特性;等效主余震和主余震序列具有相似的响应谱,两者对单自由度体系及RC框架结构造成的损伤大致相同,说明等效主余震能较好地模拟实测主余震序列。

基于边缘计算的建筑振动监测传感器应用研究

既有建筑因结构和材料的老化动力性能发生变化,导致结构损伤、抗震性能下降。对建筑进行结构动力特性实时监测是及时获得结构动力性能变化的主要方法之一。目前,无线振动传感器已广泛用于建筑结构的振动监测中,但存在数据传输量大、对通信带宽要求高等问题。因此,设计了一种基于边缘计算的建筑结构无线振动传感器,该传感器包含振动加速度信号采集、滤波、时频域分析、房屋振动信号分析等计算,将运算后的结果上传至服务器端,极大减少了带宽和通信量。通过小型振动台验证试验表明:该传感器能精确计算振动频率、振动加速度和速度,并依据房屋鉴定规范进行判定和报警,解决了无线振动传感器数据传输量大、智能化程度低的问题,具备广阔的应用前景。

基于CAS法的核电工程异形水箱分布质量计算模型

对于形状复杂的大型核电工程储液结构,Housner弹簧-质量模型适用性较差,基于有限元法的流-固耦合数值分析模型复杂、计算和存储量大,难以满足工程设计要求。该文基于声学-结构耦合法(CAS)提出了一种兼顾精度和效率的分布质量模型,通过理论推导从CAS计算结果中剥离得到的器壁动水压强脉冲分量,进而提出器壁单元各节点位置的分布式脉冲附加质量计算公式,精确地考虑了储液容器的形状对液体晃动的影响,同时实现了流-固耦合分析的解耦,有效解决了复杂大型核电工程储液结构的动力分析的难题。以矩形刚性水箱为例,将该文模型的结果与Housner分布模型比较,验证了该模型的合理性和可靠性。针对顶部具有复杂形状水箱的AP1000安全壳结构进行地震动分析,将该文模型与精细的流-固耦合模型进行比较,结果显示:两种模型计算结果吻合性好,该文模型前处理简便且在计算时间效率具有明显优势。该文模型可为核电工程考虑结构-地基、流-固耦合的多因素耦合高效分析奠定基础。

改进VMD及其在时变结构地震响应瞬时频率识别中的应用

强地震动作用下,结构动力特性因损伤将随时间变化,变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)可用于分析结构地震响应的瞬时频率变化规律,揭示地震过程中结构的损伤状态。针对人为预设分解模态数K和二次惩罚因子α参数不准确导致VMD非平稳响应出现模态混叠的问题,提出了一种改进的VMD(Improved VMD,IVMD)算法,结合Hilbert变换(HT)可准确识别非平稳地震激励下时变结构的瞬时频率。采用多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法确定分解模态数K,基于整体正交系数和能量比系数构建综合目标函数,并采用樽海鞘算法(Slap Swarm Algorithm,SSA)优化确定二次惩罚因子。在优化确定K和α参数的基础上,结合IVMD和HT识别时变结构地震响应瞬时频率。典型模拟信号和地震激励下4层时变框架结构数值模拟响应表明,相比VMD算法,IVMD算法识别得到的瞬时频率精度更高;12层钢筋混凝土框架结构模型地震模拟振动台试验数据验证了所提方法的实用性。