关于结构振型参与系数和振型贡献的分析

采用振型分解反应谱法求解多自由度弹性体系的地震反应时,为了在满足所需计算精度的前提下减少工作量,需要对振型数量进行合理的选择,而振型数的确定主要取决于结构各阶振型对总体反应的贡献。通过数学推导,对振型贡献及振型数量的选择问题进行了研究。首先,讨论了振型参与系数的性质,在此基础上给出了能够反映结构振型贡献参数的数学表达式,对这些参数的力学含义进行了解释,并给出了相关证明;其次,对有效质量法、振型位移控制法等基于不同振型贡献标准的确定振型数的方法进行了分析比较,指出了其合理性和不足。本文研究对进一步理解结构振型贡献和振型数的选择问题具有一定的理论意义。

基于振型贡献率和遗传算法的传感器布设研究

从定量和定位两方面将振型贡献率及遗传算法应用于传感器的布设研究.在传感器定量之前利用振型贡献率进行了模态阶数的选取,对简单的遗传算法进行了改进,通过传感器数量与适应度函数关系曲线可以确定出最经济的传感器数量,利用MATLAB软件编制了遗传算法及确定传感器数量和位置的程序,提出确定传感器布设的三步法,并用工程实例验证了所提方法的可行性和有效性.

结构高度对高耸结构振型贡献率的影响研究

结构的高阶振型对超高墩桥梁和烟囱类高耸结构的地震响应有较大影响,目前对高耸结构地震响应特性的认识还不够深入。为此,根据高耸结构简化计算模型,推导了高耸结构单阶振型贡献率和累积振型贡献率理论计算公式,并通过有限元模型进行了对比验证,研究了结构高度对结构振型贡献率的影响规律。研究结果表明:结构高度对底部剪力振型贡献率的影响最大,对底部弯矩振型贡献率的影响次之,对结构顶部位移的振型规律性影响最小。结构底部剪力和底部弯矩的第1阶振型贡献率随结构高度的增加先呈现出明显降低,后趋于稳定的变化趋势;而第2阶振型的单阶振型规律性呈现出先随墩高增加而增加,后有所降低的趋势。结构底部剪力和底部弯矩的前n阶振型累计贡献率随结构高度的增加而降低。

基于振型贡献系数的空间结构振动反应研究

高阶振型对结构振动反应影响的大小与结构的类型直接相关,现有研究对象主要为高层建筑或大跨度桥梁,而针对大跨度空间结构高阶反应的研究,特别是基于振型贡献系数研究高阶反应相关参数的规律变化,目前还很少.本文以刚性大跨度单层扁网壳结构为研究对象,分析比较反应大小不同的振型贡献系数及其累积趋势变化.提出结构特征点刚度比参数ρ的概念,并同时采用结构矢跨比f和特征点刚度比ρ两个参数表征单层网壳的刚度特性,研究不同f和ρ对高阶振型贡献系数的影响;采用典型硬土场地地面运动的加速度设计谱表征地震激励,对比分析不同ρ和f对高阶振型加速度谱坐标的影响.基于振型贡献系数和加速度反应的变化规律比较结果,总结出单层扁网壳振型反应的分布特征和显著程度,提出了判断单层网壳结构振型反应绝对贡献大小以及高阶振型在弹性地震设计反应谱上的卓越周期区域的方法.本文关于高阶振型反应规律的研究成果,也适用于其他类型刚性空间结构的地震反应分析.

铁路自复位高墩的高阶模态贡献研究

针对高阶模态对自复位桥墩的影响,以某铁路58 m高墩为例,基于OpenSEES建立自复位高墩地震反应模型。输入近场地震动强震记录,通过增量动力分析得出了墩身塑性铰的形成及发展规律。基于模态分解法讨论了前3阶模态对墩身弯矩和墩顶位移的影响,引入一种定量指标评价了各阶模态反应的贡献。结果表明:在近场地震作用下,自复位高墩墩底提离后只会减小第1阶模态响应对墩身的作用,使墩底不出现塑性铰;受高阶模态地震响应的影响,墩身中部仍会出现塑性铰区,墩底提离不能消除高阶模态的作用。

大跨度斜拉桥地震反应谱分析中计算振型数研究

《公路桥梁抗震设计细则》规定:进行多振型反应谱分析时,所考虑的振型数应在计算方向上获得90%以上的有效质量。为了研究这条规定在大跨度斜拉桥中的适用性,在介绍推导振型参与系数、振型参与质量系数和振型贡献系数的表达式并比较物理意义的基础上,建立了苏通大桥模型,对上述三个物理量在振型中的分布规律进行了对比分析,同时,根据不同方向的振型参与质量系数达到90%确定不同的计算振型数,进行反应谱分析并分析误差。结果表明:上述规定是合理的,并且对于受水平向与竖向地震联合激励的大跨度斜拉桥,应以竖向振型参与质量系数达到90%所确定的振型数作为计算振型数进行反应谱分析。

高塔斜拉桥纵桥向高阶振型影响分析

地震区斜拉桥多采用漂浮体系的结构体系。在传统的抗震分析中,纵桥向往往简化为单自由度体系以降低计算的复杂性。然而,由于近年来大跨度、高塔斜拉桥的不断涌现,二阶振型的贡献增加,仅考虑一阶振型的单自由度模型是否依然适用值得商榷。因此现选取多座跨径在300 m～1 000 m左右的典型斜拉桥进行分析,研究斜拉桥纵桥向二阶振型随着跨径、塔高以及场地土类型的变化对桥塔塔底弯矩、剪力的贡献。结果表明当斜拉桥桥塔高度超过100 m后,二阶振型对于塔底剪力的贡献基本保持在10%以上,而当塔高超过150 m时,二阶振型对塔底弯矩的贡献也会达到5%以上。为进一步探讨高塔二阶振型的影响,以一座典型斜拉桥为实例,分析其纵桥向二阶振型随主梁质量以及刚度的变化对塔底弯矩、剪力的贡献,研究表明塔梁质量比与塔梁刚度比均是影响二阶振型贡献的重要因素。相比较而言,主梁质量变化对结构的影响更为显著,但在达到一定数值后逐渐减小。

纵向激励下大跨钢桁拱桥高阶振型效应分析

为研究大跨度钢桁拱桥在线弹性地震作用下主拱圈的高阶振型贡献规律,以某490 m上承式钢桁拱桥为研究对象,采用Midas Civil软件建立有限元动力计算模型,基于时程分析振型叠加法的基本原理,沿纵桥向以3条不同强度的地震动作为输入,分离计算出高阶振型响应,依据定义的振型贡献率指标,绘制了拱桥主拱圈上、下弦杆振型内力贡献率堆积图、构件不同内力贡献率差值曲线及控制振型阶数分布表.结果表明:大跨钢桁拱桥因结构复杂、高阶效应显著;主拱圈上、下弦杆地震反应以两阶振型共同控制为主,单阶振型次之,仅个别单元由三阶振型共同控制,上弦杆两阶振型共同控制单元多于下弦杆;高阶振型贡献因上、下弦杆区域、内力分量、地震波的不同而变化.振型参与质量只是振型对于结构总体动力反应的一个宏观衡量指标.

基于反应谱方法的双曲冷却塔地震响应特征分析

为明确冷却塔结构的振型特征、不同振型在地震响应中贡献及地震内力环向分布特点,便于冷却塔结构设计,以某大型双曲冷却塔为例,在动力特性分析基础上采用反应谱方法进行地震响应计算,并与其它荷载作用下内力进行对比。研究表明,冷却塔振型可据其形状、方向分为环向与子午向谐波耦合振型、侧向弯曲振型、竖向伸缩振型及竖向扭转振型4类。第1类振型为冷却塔主振型;水平、竖向地震响应贡献分别来自第2、3类振型,第1、4类振型对地震作用均无贡献。侧弯振型的截面变形特征决定水平地震作用下塔筒内力在环向呈正弦或余弦分布。无论水平或竖向地震作用,塔筒中主要产生双向轴力,在下支柱主要产生轴力及弯矩,且水平地震作用产生的内力远大于竖向地震。较其它荷载作用效应,地震作用对塔筒的关键效应为塔筒中下区段内子午向拉力及塔筒顶端0.2HS范围内环向拉力,且地震效应对下支柱影响明显大于对塔筒影响。

结构构件阻尼比对大跨度悬索桥地震响应的影响

对某大跨度悬索桥进行3向地震反应谱响应分析,考虑不同构件阻尼比对悬索桥地震响应产生的不同影响.首先通过设定不同构件阻尼比的情况进行模态分析,以振型贡献系数最大值所对应的模态阻尼比作为一个方向结构的整体阻尼比;然后采用反应谱法获取该方向上结构的地震响应.通过对结构的地震响应分析发现,不同构件阻尼比对结构地震响应的影响不容忽视;《公路桥梁抗震设计细则》中对悬索桥整体阻尼比不宜大于0.02的建议会使结构地震响应偏大,从而使桥梁设计偏于安全.

广州新电视塔的动力特性有限元分析

采用ANSYS软件对高610 m的广州新电视塔进行了动力特性分析,并在此基础上采用模态质量参与系数进行模态选择控制,研究了各阶模态振型对结构地震响应的贡献。研究结果表明这类非对称空间超高耸结构具有自振频率密集,桅杆的振型位移过大等特点;另外,对该超高耸结构进行抗震分析时,依振型贡献大小至少组合10个振型以上才能满足工程精度的要求。

地震反应谱长周期分量对大跨度桥梁地震反应的影响

大跨度桥梁是长周期结构,对结构地震反应贡献较大的一阶振型周期很长,因而其地震反应对输入反应谱的长周期分量较为敏感。本文首先对中美桥梁抗震设计规范反应谱的长周期部分进行比较分析,然后基于实际地震记录的反应谱,对我国规范反应谱的长周期部分提出修正建议。接着,以一座主跨为428 m的三塔自锚式悬索桥为例,采用SAP2000程序建立全桥动力分析模型进行反应谱分析,分析反应谱长周期分量对桥梁结构不同地震反应分量的影响,并验证本文修正建议的合理性。结果表明:当漂浮体系大跨度索支撑桥梁的基本周期远超过6 s时,如果对规范设计加速度反应谱超出周期范围部分取平台段,会造成纵向地震作用下塔底弯矩和主梁位移几倍的增加,建议按周期倒数的一次方关系衰减。

大跨度斜拉立体桁架的水平地震反应分析

大跨度斜拉立体桁架是一种频谱密集周期较长的杂交结构体系,以该结构的两塔三跨和一塔两跨两种体系为对象,研究了通过控制振型参与质量贡献率来确定采用振型分解反应谱法分析时参与组合所需的振型数,探讨了水平地震反应分布规律,并进行了时程分析。研究表明:地震反应振型组合需取前20阶振型具有足够的精度,桁架最大竖向位移和塔顶水平位移及桁架和索的内力反应不大,而塔根的内力反应较大,设计时应给予足够重视。对一塔两跨体系,时程分析结果比振型分解反应谱法分析结果普遍偏大,该结构体系在设计时应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。

不同激励方向下铁路钢桁拱桥地震响应特征

为研究不同激励方向下铁路上承式钢桁拱桥地震响应特征,以某提篮式钢拱桥为分析对象,采用Midas/civil软件建立全桥动力计算模型,根据反应谱法原理获得了不同激励方向下主要振型的节点惯性力,进而分离出各主要振型对拱圈地震反应的贡献.分析结果表明:引入的振型反应贡献率可以从微观定量评价主要振型对结构各杆件地震反应的贡献大小;总体上看,相对于其它主要振型,控制振型对结构地震反应的贡献率占有主导地位;相对于控制振型,其它主要振型引起的地震反应在某些区域仍然很大,不可忽略.