考虑塑性发展的球面网壳模态推覆数值研究

网壳结构空间效应明显,故传统的静力弹塑性分析方法(Push-over)难以直接用于网壳结构地震反应分析。基于结构整体刚度参数的模态推覆分析方法(Push-down),改进了传统的用于高层结构分析的Push-over方法,可考虑网壳竖向振动作用,实现网壳结构地震反应的快速分析。本文基于该方法开发了可分析单层球面网壳地震作用下从杆件到结构层面塑性发展程度的子程序模块,并据此进行数值研究。考虑不同单层球面网壳类型、几何参数、地震波特征等,研究其地震作用下的结构位移、基于杆件塑性深度的结构塑性发展,并分析该方法的适用性特点。研究结果表明,该方法计算矢跨比大于等于1/4的球面网壳地震反应较为准确,其计算精度受网壳类型影响较大、受地震波峰值加速度影响较小;多阶模态推覆较一阶模态推覆可提高位移计算精度,但不宜用于塑性发展分析,且所需的模态分析耗时较长。

基于整体刚度参数的空间结构模态推覆分析

由于空间结构具有三维受力特性,用静力推覆方法计算其地震反应存在如下问题,结构代表性节点荷载-位移关系难以选择、结构荷载-节点位移-支座反力之间的对应关系不够直观、结构能力曲线难以确定.利用振型形态确定荷载模式,对空间结构进行静力弹塑性分析;引入结构整体刚度参数,得出不依赖于支座反力变量的各主要模态的等效单自由度(ESDOF)体系力-位移关系;结合模态周期值,确定ESDOF体系等效质量,并将该体系应用于模态推覆分析.数值算例分析结果表明,基于整体刚度参数的模态推覆分析方法可避免空间结构能力曲线难确定的问题,计算耗时仅为时程分析方法的10%,沿地震输入方向计算得到的结构节点位移结果相对时程分析结果的平均误差为28%.

格构拱结构动力响应评估的改进模态推覆分析法

静力推覆分析方法广泛应用于多高层结构在水平地震作用下的抗震性能评估,但将此方法直接应用于竖向地震作用下结构水平和竖向变形耦合显著的大跨度格构拱结构时,计算精度较差.引入结构静力稳定分析的特征刚度参数,提出了一种改进的模态推覆分析(IMPA)方法,通过第一阶段的模态推覆分析建立基于特征刚度的等效单自由度(ESDOF)体系;将各阶ESDOF的动力时程按振型组合进行第二阶段推覆分析,推导出推覆荷载公式;通过两阶段的推覆分析求解结构整体的动力响应.采用IMPA方法对某大跨度格构拱结构分别在硬土和软土场地若干条竖向地震波激励下的动力响应进行分析,与时程分析方法进行对比,计算结果表明:节点竖向位移和单元最不利应力的变化趋势基本一致,平均误差分别为10.5%和33.2%,计算耗时仅约为时程分析法的25%;随着竖向振型截取阶数的增加,IMPA方法的计算精度也相应提高.

改进的基于模态推覆的时程分析地震动记录调整

利用时程分析计算结构地震反应时,不同的地震动记录或不同的地震动记录调整方法得到的结果差别很大,因此如何选择和调整地震动记录,减小结构地震反应分析结果的离散性,是提高结构抗震分析结果可靠性的必然要求。针对基于模态推覆的地震动记录调整方法的不足,提出引入以振型参与重量系数为加权系数、可考虑前若干阶振型贡献的综合调整系数调整初选的地震动记录,其中每一阶振型对应的调整系数利用该阶振型相应等效单自由度体系非线性时程分析所得最大位移匹配其目标位移确定。进一步,以一6层钢筋混凝土框架结构为例,分别采用改进的基于模态推覆、基于模态推覆和基于ASCE7的调整方法调整地震动记录进行时程分析,并对不同调整方法下结构最大水平位移、最大层间位移角等结构响应计算结果的离散性进行了对比。对比结果表明,与基于模态推覆和基于ASCE7的地震动记录调整方法相比,基于改进模态推覆的地震动记录调整方法所得结构地震响应分析结果的离散性明显下降。

基于两阶段加载模式的改进模态推覆分析方法

在模态推覆分析(MPA)方法的基础上,提出了改进的模态推覆分析(IMPA)方法;IMPA方法克服了MPA方法采用固定加载模式的不足,考虑对结构屈服前后采用分段的加载机制进行推覆分析;并通过两个算例对IMPA方法、MPA方法计算得到的结构顶点位移和层间位移角与弹塑性时程分析结果进行了比较.结果表明,IMPA方法在评估结构地震反应时较MPA方法在精度方面有了较大的提高.

基于改进模态推覆法的导管架平台弹塑性抗震性能

针对强震下海洋导管架平台的弹塑性失效问题,提出一种基于性能设计的海洋导管架平台改进模态推覆抗震分析法,获得强震下平台结构的弹塑性抗震性能及其失效模式,解决强震下海洋导管架平台的弹塑性抗震性能评估难题.通过对比分析设防和罕遇烈度8度地震下平台结构弹塑性地震响应的差异性,探讨平台结构的参振振型、振型形状向量以及地震动不确定性对平台结构弹塑性抗震性能的影响.研究结果表明:高阶振型和振型形状向量对导管架平台弹塑性抗震性能的影响较大,需考虑前9阶或9阶以上的模态振型及振型形状向量变化的影响;设防和罕遇烈度8度地震下,平台结构弹塑性抗震薄弱环节均位于导管架顶部,需重点关注;具有相同峰值加速度的不同地震时程下的平台结构地震响应表现出明显的离散性和差异性,建议采用改进模态推覆法评估强震下平台结构弹塑性抗震性能.

柱面网壳地震位移需求计算的迭代等效推覆方法

为提高采用推覆方法计算柱面网壳地震位移需求的效率和精度,提出一种改进的推覆方法。基于能量等效原理,建立不依赖中间参数或增量计算的等效单自由度体系。根据等能量原则,提出确定目标位移的迭代等效方法;采用完全二次项平方根方法(CQC)组合各主振型等效体系目标位移处的振型反应得到结构需求。算例结果表明,相比传统的推覆方法,基于迭代等效的推覆方法得到的柱面网壳最大节点位移、整体位移包络的误差较小。当结构反应由多振型共同主导时,该方法的计算精度稳定。

钢拱结构面内地震反应分析的改进模态组合系数法

为了在钢拱结构面内地震反应的推覆分析中考虑几何非线性效应和多阶振型贡献,提出了一种改进模态组合系数法.首先,采用非线性刚度比αk衡量几何非线性效应对结构初始频率的影响;然后,定义阈值β,用于选取控制振型,构造基于控制振型的组合荷载模式;最后,使用组合荷载模式进行推覆分析,获取结构反应.针对矢跨比为1/4和1/5的2个钢拱模型的分析结果表明:改进方法简便有效;相对于时程分析结果,峰值地面加速度为0.3g时,矢跨比为1/4和1/5的模型的x向峰值位移平均误差分别为2.7%和-7.2%,y向峰值位移平均误差分别为-6.5%和5.8%,杆件峰值应力平均误差分别为-5.0%和-4.3%;随着峰值地面加速度的增加,各向峰值位移、峰值应力的平均误差仍保持稳定.

MPA法与Pushover法的准确性对比

基于振型分解反应谱法的多模态Pushover法(MPA法)考虑了结构高阶振型的影响,在一定程度上弥补了传统Pushover法只考虑结构第一振型的不足.为了对MPA法与传统Pushover法的准确性进行对比,文中以逐步增量弹塑性时程分析结果为基准,基于两个普通的六层和十层钢筋混凝土框架结构纤维模型,对MPA法和不同侧力模式的Pushover法的分析结果进行了对比.分析表明,与Pushover法相比,MPA法对中短周期结构最大弹塑性位移响应的预测具有较高精度,但对结构最大层间位移的预测误差仍较大.

网架结构竖向抗震性能评估的等效简化模型

为建立分析效率高、计算精度高的网架结构竖向抗震性能评估方法,采用考虑结构质量分布的模态推覆分析荷载模式,对基于整体刚度参数的等效单自由度体系建立方法进行了改进.分析了网架结构竖向振动受重力作用影响显著、且竖向振动显著不对称的特点.假定网架结构向上振动时的等效荷载-变形关系为完全弹性,建立了简化的模态等效单自由度体系模型.给出了基于简化模型分析网架结构竖向地震反应和评估其竖向抗震性能的基本过程.数值算例表明,所提等效简化模型方法可较为精确地预测网架结构的竖向位移反应(跨中位移误差小于5%)和进入塑性的杆件分布位置,同时,简化方法计算耗时大幅低于非线性时程分析,易被设计工程师掌握使用.

基于性能的黏弹性阻尼器减震结构抗震设计

根据黏弹性阻尼器的特点和抗震规范的要求,分别提出了用于黏弹性阻尼器减震结构抗震分析的弹性及弹塑性需求谱,前者是基于黏弹性阻尼器减震结构等效阻尼比的简化计算公式及规范规定的反应谱;后者是基于修正的V id icRμ-μ-T关系。在此基础上,借助模态推覆分析,提出了可以考虑高阶振型影响的黏弹性阻尼器消能减震结构体系的能力谱分析方法,并对一8层钢筋混凝土消能减震框架结构进行了"中震不坏,大震可修"性能水准下的抗震分析。算例结果表明,采用该方法分析黏弹性阻尼器减震结构体系是可行的、有效的。

框架—剪力墙结构的静力弹塑性分析研究

静力弹塑性方法作为一种评价结构抗震性能和计算结构弹塑性变形的简化方法,近年来得到了广泛应用。但由于传统的定侧力模式的静力弹塑性方法只考虑第一振型,无法反映高层建筑结构的高阶振型影响。为考虑高阶振型的影响,Chopra在振型分解反应谱组合法的基础上,提出了MPA方法。本文首先讨论了应用MPA方法需注意的问题,然后用一个18层钢筋混凝土框架—剪力墙结构为算例,以逐步增量弹塑性时程分析结果为基准,对传统定侧力模式静力弹塑性方法和MPA方法的分析结果进行了对比研究。结果表明,相比于定侧力模式静力弹塑性分析结果,MPA方法的分析结果更接近弹塑性时程分析结果。

损伤谱在结构抗震性能评估中的应用

改进能力谱法可以较好地评估结构抗震性能,在工程中得到了广泛的应用。本文在此基础上指出,由改进能力谱方法求得的延性是结构的延性需求,并不是结构的实际延性能力,不能以此代表结构在罕遇地震作用下的实际抗震能力。其次,基于弹塑性损伤反应谱(简称"RD谱"),结合模态Pushover分析,提出了基于RD谱的能力谱分析方法,通过RD谱分析所得的延性是结构的实际延性能力,从而可进行结构的抗震能力验算,并给出结构延性富余度的概念,即可明确结构经历某一级地震作用后体系所含的延性富余度。模态Pushover分析可有效地考虑结构高振型的影响,提高了结果的分析精度。最后,通过例题分析,说明了本文方法的方便性和可行性,文中分析结果反映了结构抗倒塌能力,通过与改进能力谱法的所得延性需求或位移需求进行比较,可求出结构体系所含的延性富余度。

考虑薄弱层的基于MPA法计算滞回耗能分布

计算结构的滞回耗能分布时,通常采用时程分析法和多模态推覆分析(MPA)法。本文分别使用这两种方法计算9层Benchmarh钢框架的层间滞回耗能分布,发现MPA法在计算具有明显薄弱层的结构时会产生误差。因此,针对含有薄弱层的结构,提出了考虑薄弱层的基于MPA法计算滞回耗能分布。该方法通过对结构进行静力弹塑性分析得到层间滞回耗能分布,并对结构的相对薄弱层进行调整,再通过振型参与系数组合得到最终的滞回耗能分布。将该方法应用于20层的Benchmarh钢框架结构,结果表明,相较于时程分析,该方法对薄弱层(首层和第八层)的计算精度分别提升了10.4%和21.9%。

MPA法和Pushover法在掉层框架结构中的适用性对比分析

结合已有的规则结构分析结果,设置不同的掉层跨数、掉层数量的掉层结构,以逐步增量弹塑性时程分析(IDA)结果为依据,运用多模态Pushover法(MPA)和传统的Pushover法进行对比分析。结果表明:相对于规则框架结构,除MPA外,掉层结构的掉层部分在各类侧向力分布模式相对于IDA下的层间Pushover曲线有较大差异。SRSS分布下在掉一、二层位置,过高估计结构的响应。上接地层以上部位各侧向力下的层间Pushover曲线较IDA曲线误差较小。掉层的楼层的层剪力在上接地位置存在明显的突变。掉层跨数的改变对上部楼层弹塑性分析结果影响较小,但跨数的改变会改变同等烈度下结构的层间Pushover曲线和内力响应。与此同时,掉层跨数的增加会减轻"剪力突变"现象。伴随着掉层层数的增加,掉层部分均匀分布和倒三角分布与IDA下层间推覆曲线的差异会扩大。总之,相对于传统Pushover分析,MPA分析的结果更接近于相对准确值,需要进一步研究以提高精度。

空间网格结构抗震薄弱区识别的静力推覆方法

空间网格结构在强震下出现薄弱区的原因是该区域杆件的地震内力与决定其截面配置的非抗震设计内力差异较大,且该内力差异主要来自于少数模态的贡献。为此,利用非抗震设计和多遇地震验算的最不利内力,提出了一种疑似薄弱区杆件的简便判别方法。基于多遇地震下由振型分解反应谱法计算得到的结构响应,可以确定疑似薄弱区杆件地震内力的主要贡献模态。考虑这些主要贡献模态并参考振型质量参与系数,构造了能够近似反映最不利单向地震响应的综合模态,并基于结构应变能相等的原则确定了罕遇地震水平的等效静力推覆荷载。给出了一种能够计入三向地震动贡献的静力推覆方法,并对一个三心圆柱面双层网壳算例进行了推覆分析。通过与动力弹塑性时程分析结果对比发现,只要在建立推覆荷载时组合模态包括了疑似薄弱区杆件地震内力的主要贡献模态,并且所有组合模态的振型质量参与系数之和大于90%,则该静力推覆方法可以有效识别到该结构在罕遇地震下可能形成的薄弱区。

基于MPA方法评估结构地震位移需求

在模态推覆分析(MPA)基础上,采用能力谱法(CSM),对某高层框—剪结构的地震位移需求进行了评估。首先,回顾了传统模态推覆理论,并提出了采用弹性谱与折减谱线性组合值评估地震位移需求的简化计算方法。然后,用MATLAB编程求解性能点,实现了能力谱法分析。最后,基于弹性谱和折减谱,采用提出的方法分别研究了不同地震峰值加速度(PGA)下结构地震位移需求,并与时程分析进行了对比,得到了误差包络图,说明简化方法对某高层框—剪结构具有良好适用性。

考虑高阶振型影响的能力谱法的分析研究

结合我国抗震设计规范,形成了简化实用的考虑高阶振型影响的能力谱法.借助模态Pushover分析将多自由度体系分解为几个非线性单自由度体系,以考虑各阶振型的影响.对能力谱法中根据延性系数确定的弹塑性需求谱作了进一步地研究,并对框架结构进行了抗震性能评估.利用MATLAB编制了弹塑性时程分析程序,同时采用SAP2000对该结构进行了时程分析,验证了所编程序的正确性.与能力谱法的结果比较表明,利用能力谱法分析框架结构体系是可行、有效的.