高速铁路大跨矮塔斜拉桥地震主导振型识别

研究目的:为探明高速铁路矮塔斜拉桥地震响应特性,以某主跨(90+180+90)m矮塔斜拉桥为工程背景,基于理论推导及非线性有限元分析,采用平均模态应变能系数为指标,开展该桥型地震作用下主导振型识别,研究其动力特性.研究结论:(1)平均模态应变能系数能同时考虑结构及地震动特性,可作为矮塔斜拉桥振型识别指标,具有高效、精确等特点;(2)梁式体系矮塔斜拉桥在x和z方向主导振型较y方向敏感,反映出结构在这两个方向的动力效应更显著;(3)振型分解反应谱法和时程分析对比可得出,考虑主导振型组合能满足实际工程需求,桥梁主导振型识别对掌握结构地震响应特性具有重要意义,可为地震损伤分析、桥梁减隔震设计等提供依据.

高墩梁桥考虑墩身高阶振动的水平向主导振型

规则中、低墩梁桥的水平向动力特性主要取决于对应方向的基本振型,因而可近似按单自由度体系对其进行抗震性能研究和抗震设计。而高墩梁桥由于墩身质量参与和高阶振型影响,其动力特性较为复杂,难以借用单自由度体系模型进行抗震分析和研究。为进一步了解高墩梁桥的动力特性和地震反应特点,将高墩梁桥简化成单墩-质点体系模型,考虑墩身质量参与和高阶振型,分别研究墩高、墩顶集中质量和梁-墩质量比等参数对体系水平向主导振型分布的影响,提出梁-墩质量比是决定单墩-质点体系水平向振型质量参与系数的主要因素,并通过曲线拟合给出了二者间的函数关系式;再利用反应谱方法计算体系在不同地震动输入下的墩底内力和墩顶位移,分离出前几阶水平向振型对体系地震反应的贡献率,依此给出因计算目标而异的选取单墩-质点体系水平向主导振型的合理判据。

风振响应中选择主导振型的主动预测法

针对大跨度空间结构多振型参与结构振动的特点,提出一种在频域内分析该类结构风振响应的应变能主动预测法。该方法的基本原理是:以用应变能大小评价各振型在风振响应中的参与程度这一方法为基础,结合振型响应的简化分析方法,给出风振响应中各振型响应的应变能简化计算方法;根据各振型的响应谱特征,将大跨度空间结构分为由背景响应或共振响应占主导地位的两类结构,对每一类结构,定义应变能预测指标,该方法只需要简单的几个基本参数(如结构振型和风荷载信息)就可以快速计算各振型的应变能贡献大小,衡量各振型在风振响应中的参与程度,从而达到快捷选择大跨度空间结构风振响应中主导振型的目标,能够显著提高振型分解法的计算效率。最后,将该方法用于一单层球面网壳,结果表明:应变能主动预测法可以快捷、准确地选择风振响应中的主导振型,计算得到的节点位移响应谱和均方根响应与准确值吻合较好。

大跨度屋盖结构脉动风振响应的参与振型

为了选取大跨屋盖结构脉动风振响应的主导振型,提出了振型能量参与系数及其累积参与系数的计算方法.在总结振型背景响应、振型共振响应的计算方法的基础上,给出了脉动风荷载在背景响应及各振型背景响应上做功的平均值,提出了背景响应振型能量参与系数计算公式和主导振型的选取方法;给出了振型共振响应内能的表达式,提出了共振响应的振型能量参与系数的计算公式和振型选取方法.数值算例表明,振型位移响应对总位移响应的贡献大小符合振型能量参与系数之间的相互关系.背景位移响应的计算精度可通过背景响应振型参与系数及其累积参与系数来控制,而共振响应累积振型能量参与系数则反映了参与计算振型的共振响应总能量与背景响应总能量之比.

大跨空间结构的多目标等效静风荷载分析方法

针对大跨空间结构风荷载空间分布复杂、多振型参与结构风振以及等效静风荷载中存在多等效目标等特点,以作者提出的单目标(即等效目标)等效静风荷载分析方法为基础,提出多目标等效静风荷载的分析方法,该方法的基本思想是:根据结构风振响应特性,选择风荷载的主要本征模态和结构主导振型惯性力作为构造多目标等效静风荷载的基本向量;根据最小二乘法,得到基本向量的最优组合系数,从而得到针对多个等效目标的等效静风荷载。该分析方法的优点是:能够再现风振响应特点,又能解决工程中的多等效目标问题。最后,将该方法应用于一单层球面网壳,结果表明:一个等效静风荷载分布形式就可以实现某一类响应(如所有节点的位移)都与动力极值响应等效,验证了本文方法的有效性和精度。

国家体育场屋盖结构的风振响应特点

基于时域内背景响应、共振响应的定义,提出了背景响应、共振响应的振型能量参与系数,为大跨空间结构风振响应分析过程中主导振型的选取提供了依据。计算分析了国家体育场屋盖结构在340°风向角作用下的风振响应的各个组成部分,有助于理解国家体育场屋盖结构的风振响应特点。由计算结果可知,脉动响应是国家体育场屋盖结构风振响应的主要成分,脉动响应峰值约占控制点位移响应的2/3;平均风响应约占控制点响应的1/3。在脉动响应中,背景响应远大于共振响应。背景响应的振型耦合效应十分明显,应按CQC振型组合方法计算背景响应;共振响应的振型耦合效应可忽略不计。背景响应与共振响应之间的耦合效应可忽略不计。

国家体育场多目标等效静风荷载

针对大跨结构的风振响应特点,研究多目标等效静风荷载的分析方法,并采用该方法对国家体育场等效静风荷载进行了研究。该等效静风荷载分析方法的基本过程是:根据结构风振响应特性,选择风荷载的主要本征模态和结构主导振型惯性力作为构造多目标等效静风荷载的基本向量,根据最小二乘法,得到基本向量的最优组合系数,从而得到针对多个等效目标的等效静风荷载。国家体育场的分析结果表明:在所有风向下的风振响应中,背景响应远大于共振响应,其中0°风向和270°风向对结构最为不利;在针对多等效目标的等效静风荷载作用下,所有关键位置的节点位移响应和支座反力都与实际动力响应极值吻合较好。

国家体育场屋盖结构风振响应的时域分析

以国家体育场大跨屋盖结构风振响应的计算分析为研究对象,提出了在时域内计算振型能量参与系数的方法,并采用振型能量累积参与系数选择主导振型;提出了利用主导振型响应的协方差计算结构节点的方差响应以及峰值因子的方法。计算结果表明,基于振型时程积分法的风振响应计算方法及响应统计分析方法既显著提高了计算效率又保证了计算结果的精度。

基于Ritz-POD的大跨屋盖结构风振响应分析和风效应静力等效方法

大跨屋盖风振响应中的多振型参与特性,及由此导致的多目标等效静风荷载问题,一直是大跨屋盖结构风工程研究和工程应用十分关注的问题。对作者及合作者近年来在该方面的研究工作所取得的进展进行了总结,并加以发展。利用POD分解得到本征模态表达的脉动风荷载空间分布形式,确定与荷载分布形式对应的Ritz向量,即主导模态;推导脉动风响应中背景响应和共振响应的数学表达式,给出背景响应与共振响应间的相关性分析方法;根据结构风振响应特性,以风荷载主要本征模态和结构主导振型惯性力构造多目标等效静风荷载的基本向量,利用最小二乘法得到基本向量的最优组合系数,从而得到针对多个等效目标的等效静风荷载。并通过对跨度40 m的K6型单层球面网壳结构的计算验证本文方法的有效性和准确性。

北京奥林匹克公园网球中心赛场悬挑钢屋盖结构风振响应分析

计算了北京奥林匹克公园网球中心赛场悬挑钢屋盖结构的风振响应。分析了网球中心赛场的振型响应能量,并选择了风振响应的主导振型。提出了振型背景位移响应与共振位移响应耦合系数的计算方法,对振型位移响应谱及位移方差的计算分析表明,网球中心赛场背景位移响应与共振位移响应之间的耦合效应对计算结果影响不大。研究了拟静力方法和CQC振型组合方法计算背景位移响应的差别,网球中心赛场的振型耦合效应对背景位移响应的影响明显,但根据主导振型计算得到的背景位移响应能够满足工程计算的精度要求。采用CQC和SRSS振型组合方法对共振位移响应的影响进行计算,结果表明振型耦合效应对共振位移响应的影响可忽略不计。在网球中心赛场的风振位移响应中,脉动位移响应的贡献大于平均风位移响应的贡献;在脉动位移响应中,背景位移响应占主要成分。

北京南站雨篷结构风振响应分析

计算分析了北京南站雨篷结构在不同风向角作用下的风振响应的各个组成部分。由计算结果可知,脉动响应是雨篷结构的主要成分;同时在脉动响应中,背景响应远大于共振响应。背景响应的振型耦合效应十分明显,应按CQC振型组合方法计算背景响应;共振响应的振型耦合效应可忽略不计。背景响应与共振响应之间的耦合效应可忽略不计。