单自由度结构远程分析及拟动力试验平台

基于网络结构实验室概念,开发了一个单自由度结构体系远程协同分析和拟动力试验平台.该平台由控制中心、真实试验机、虚拟试验机和远程观察器4个模块组成,各模块由计算机网络连接在一起,采用并行通讯模式实现控制中心与试验机和观察器之间的数据传输.利用该平台进行了钢管混凝土柱在3个水准地震作用下的协同拟动力试验,并进行了理论分析对比.平台的开发应用初步实现了异地分布式协同结构拟动力试验理论,进一步扩充可应用于更为复杂的子结构协同拟动力试验,从而将多个单一结构实验室整合为功能强大的网络结构实验室,提高了试验能力,达到了资源共享的目的.

基于单自由度结构的颗粒阻尼减振机理试验研究

颗粒阻尼(Particle Damping)技术具有减振效果好、作用频带宽、对原结构改动小、布置灵活等优点,因而在航空及机械振动控制领域得到了广泛的研究,但在建筑结构中的研究尚处于探索阶段。以单自由度钢框架结构为研究对象,通过自由振动试验,对比原结构、附加阻尼颗粒结构的响应,研究颗粒质量比、粒径、腔体底摩擦系数、颗粒堆积状态与振动方向长度、激励强度各参数对颗粒阻尼减振控制效果的影响。结果表明,阻尼颗粒提供的等效附加阻尼比随颗粒质量比的增加先增加后减小;粒径小的颗粒数量更多,效果更好;增加腔体底部摩擦导致颗粒运动变缓,减振效果变差;当颗粒没有堆积时,腔体尺寸对阻尼效果的影响很小;振动方向长度增加,阻尼效果略有变差;等效附加阻尼比随激励强度的增加先增加后趋于稳定。颗粒阻尼技术在单自由度结构体系减振控制中的应用效果良好,具有广泛的应用前景。

基于EEMD和SVR的单自由度结构状态趋势预测

为了解决结构早期损伤难以正确识别的问题,结合聚类经验模式分解(EEMD)解决随机不确定性问题和支持向量机(SVM)解决预测问题这两者的优势,提出了一种基于EEMD特征提取的支持向量机回归(SVR)结构状态趋势预测方法。先对单自由度结构渐进损伤的加速度振动信号进行EEMD,再进行希尔伯特变换(HT),计算瞬时频率,然后用回归支持向量机对反映结构健康状态的瞬时频率进行趋势预测。研究表明:对于渐变损伤该方法可以准确地、高精度地预测结构状态趋势。

多自由度结构受迫振动中的能量共振

从结构的能量平衡方程出发 ,对多自由度结构受迫振动中的能量响应特性和能量共振进行了分析。以一柱状结构为例 ,当简谐激励荷载的频率与结构系统自振频率很接近时 ,结构的能量响应会出现非常大的突变 ,即能量共振 ;针对不同方向的激励荷载 ,由于结构的振型特征 。

多自由度Maxwell阻尼器减震结构(Ⅰ)——随机响应特性

对多自由度带支撑Maxwell粘滞阻尼器减震结构的随机响应特性进行了系统研究。建立了结构一般运动方程;将运动方程按原结构振型展开,将运动方程化为振型广义坐标的微分和积分混合地震响应方程组;基于多自由度随机平均法理论,获得了结构随机平均It方程组的解析式,推导出耗能结构各振型振子的振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差的一般解析解;根据SRSS组合方法,给出了耗能结构随机地震响应方差的一般解析式,从而建立了此类耗能结构随机响应特性分析的完备解析解法。

PTRMD在多自由度结构中的减振性能及鲁棒性

将一种带碰撞的滚动型调谐质量阻尼器(PTRMD)应用于多自由度结构中,对其在多自由度结构体系中的减振性能及阻尼器频率失谐时的鲁棒性进行研究。通过拉格朗日方程推导得到分段运动方程,然后推广到多自由度结构中,建立了设有该装置的多自由度受控系统的动力方程,并利用数值方法求解。把PTRMD安装到6层结构中,对其在自由振动和强迫振动时的控制效果进行探讨,并与无碰撞的滚动型调谐质量阻尼器(TRMD)进行了比较,同时对它们在阻尼器频率偏离最优频率时的鲁棒性进行了分析。结果表明:在多自由度结构中安装PTRMD能有效减小结构的动力反应,得到满意的减振效果;相比TRMD,PTRMD具有减振性能好、控制频带宽、适用性强、受阻尼器频率变化的影响不大等优点,具有更广大的应用前景。

基于EEMD和SVR的多自由度结构状态趋势预测

由于工程结构的复杂性和引起结构损伤原因的不确定性,结构早期微弱和潜在的损伤难以识别和预测。为此提出了基于聚类经验模式分解（EEMD）和支持向量机回归（SVR）的结构健康状态趋势预测方法。首先对多自由度结构渐进损伤的加速度振动信号进行聚类经验模式分解（EEMD）;再进行希尔伯特变换（HT）计算瞬时频率;然后用回归支持向量机对反映结构健康状态的瞬时频率进行趋势预测。详细分析了各种参数对回归和预测精度的影响,提出了这些参数的选用方法和一般原则。研究表明：该方法具有训练样本少的特点;在采用二阶多项式核函数、回归步长m=3~5、误差惩罚因子C=100、敏感因子ε=0.01时,可以准确地和高精度地预测结构状态趋势,预测精度达到0.24781%。

近场具有脉冲地层运动的单自由度双线性结构残余位移比谱

遭受近场具有脉冲地层运动的桥梁由于非线性变形桥墩会产生残余位移,给桥梁震后的维修和重建带来困难。运用BISPEC程序,选择45条近场具有脉冲地震记录,进行不同基本周期、延性系数、双线性因子的单自由度双线性结构的时程响应及残余位移比分析。结果表明:不同地震动作用下,单自由度双线性结构的残余位移的离散性很大;场地类型、结构周期和位移延性对残余位移比的影响不大,双线性因子对残余位移比的影响很大;双线性因子大于0.1时残余位移比很小,双线性因子从0.1变到-0.1时残余位移比迅速增加,双线性因子小于-0.05后,残余位移比接近1。针对单自由度双线性结构的设计,提出近场具有脉冲地层运动的残余位移比谱。应用该谱的工程实例分析结果与非线性时程响应的分析结果吻合较好。

多自由度Maxwell阻尼器减震结构(Ⅱ)——等效阻尼

对多自由度带支撑Maxwell阻尼器减震结构的等效阻尼比进行了系统研究。构建了耗能结构一般微分和积分混合地震响应方程组;基于与多自由度随机平均法分析完全相同的等效准则,建立了耗能结构各振型等效阻尼比的一般解析计算式。与一些典型问题的模态应变能法的计算精度进行对比分析,结果显示:本文方法的计算结果在特定条件下与精确解完全相同;在一个二自由度系统中相对位移响应方差的误差分别为0.99%和0.45%,优于应变能法的8%和5.4%,表明了本文方法的有效性。从而为建立此类耗能结构等效阻尼分析的完备解析解法、直接应用反应谱法进行实际工程设计提供了依据。

基于离散小波变换的多自由度结构非平稳随机响应计算

将地面运动模拟成非平稳随机过程 ,基于离散小波变换得到地面运动离散小波系数的统计值 ,并以此作为输入 ,推导了多自由度结构的随机响应公式 ,通过对响应偏谱的计算 ,得到随时间变化的响应频率特性和各阶谱参数 ,利用 Monte- Carlo法和本文方法进行了计算实例对比 ,验证了本文方法的正确性。

基于HHT的单自由度结构渐进损伤识别方法

为了解决结构健康监测中非平稳随机信号的时变性并有效地监测损伤过程,研究了基于Hilbert-Huang变换的结构渐进损伤识别方法。首先,该方法模拟产生单自由度结构系统发生渐进损伤的加速度振动信号;然后对加速度振动信号进行经验模式分解,将其分解为多个平稳的固有模式函数之和;最后再选取若干个包含主要损伤信息的固有模式函数进行Hilbert变换,提取瞬时频率作为特征参数进行损伤特征提取。研究结果表明,瞬时频率可以作为结构渐进损伤的特征参数,它对损伤较敏感;损伤前后,瞬时频率会发生明显的变化。

多自由度电流变阻尼隔震结构的数值分析

采用电流变智能隔震装置对多自由度结构进行了基础隔震控制.给出了电流变智能隔震装置的基本构造,提出了隔震装置的恢复力模型.根据摩擦结构运动机理,分析了隔震结构的动力特性,给出了隔震结构各阶段的运动方程及其判别准则,编制了结构非线性动力分析程序.对多自由度隔震结构进行了动力时程分析,分别采用3种恢复力模型的隔震装置对结构进行控制.结果表明,采用电流变智能隔震装置对结构进行控制可以有效地限制隔震层的位移.此外,拟限位型隔震装置还可以有效降低结构加速度,拟摩擦装置对结构加速度有所增加.

基于Kanai-Tajimi谱卷积型非粘滞阻尼多自由度结构地震动响应的简明闭式解

针对非粘滞阻尼结构基于Kanai-Tajimi谱的卷积-微分混合动力方程解法比较繁琐的问题,给出了一种新的简明封闭解法。非粘滞阻尼模型常以指数型核函数的卷积形式表示,不易求解,文中给出其精确等效的微分型本构关系。Kanai-Tajimi地震动激励模型的功率谱表达式较为复杂,不易于获得结构动力响应的封闭解,但其可精确转化为易于获得封闭解的白噪声激励的滤波方程。利用非粘滞阻尼结构的微分型本构关系和Kanai-Tajimi谱的滤波方程,文中将基于复杂地震动激励卷积-微分型动力方程转换为基于白噪声激励的全微分型动力方程组,然后运用复模态法及白噪声激励的简明特性,给出了结构位移、速度的方差和0~2阶谱矩的简明封闭解,并研究了耗能结构的动力可靠度。算例对一多自由度结构进行分析,与虚拟激励法进行对比,验证文中所提分析响应0~2阶谱矩的封闭解法的正确性和高效性。

混合编程控制的多自由度结构拟动力试验方法

为了建立对任何试验设备控制系统均通用的拟动力试验系统,提出外部命令控制方法,并应用Visual C++和MATLAB混合编程控制的方法编制试验程序。以MTS FlexTest GT控制系统为例,在GT控制器上连接采集卡,应用Visual C++编制采集卡控制程序,控制GT控制器的I/O通道,实现外部命令对作动器的控制。应用MATLAB语言编制计算程序,通过Visual C++调用MATLAB引擎的方法,完成了控制程序和计算程序的接口。进行了一个3层砌体结构足尺模型的三自由度结构拟动力试验。试验结果表明,试验系统能够保证3个作动器之间协调地稳定加载,并且保证控制精度;MATLAB编程简单灵活,使计算程序易于扩展;由于外部命令控制方法的硬件连接简单,控制程序不依赖于试验设备控制软件,因此可扩展应用于数值模拟和物理试验相结合的结构抗震试验研究中。

一种计算多自由度结构基频的较简便方法

在多自由度结构中,基频是最重要的频率.本文通过假设基频对应的第一振型,以此近似作为惯性力幅值引起的位移.利用惯性力与变形关系,提出了多自由度结构基频的一种较简便近似计算方法.通过对3个多自由度结构的计算,考察了本文方法的误差情况.文中提出的方法可为结构设计中快速估算基频提供参考.

基于HHT的多自由度结构渐进损伤特征提取方法

大型复杂工程结构的损伤实际上是一个渐进损伤的过程,为解决结构损伤识别中非平稳随机信号的时变性并有效地识别这个损伤过程,研究了基于Hilbert-Huang变换的结构渐进损伤特征提取方法.首先模拟产生了多自由度结构系统发生渐进损伤的加速度振动信号;然后对加速度振动信号进行经验模式分解,将其分解为多个平稳的固有模式函数之和;再选取若干个包含主要损伤信息的固有模式函数进行Hilbert变换,提取瞬时频率作为特征参数进行损伤特征提取.研究结果表明:HHT是一种有效的信号处理方法,通过提取瞬时频率,可以准确地提取结构渐进损伤的特征.

基于能力谱法的单自由度结构易损性分析

为进行基于能力谱法的结构地震易损性分析,采用选定的250条地震波对单自由度结构进行了弹塑性时程分析和弹性时程分析,建立了结构弹塑性时程分析最大位移与Pushover分析最大位移比的平均值和变异系数与相关参数的关系式,其中Pushover分析中的需求谱采用的是按相同地震波进行弹性时程分析建立的反应谱;通过Monte-Carlo方法分析了随机结构参数下Pushover分析得到的最大位移的概率特性,给出了最大位移平均值和变异系数的表达式;采用可靠度计算理论,给出了结构易损概率的计算公式和可靠指标的简化计算公式。结果表明:提出的易损性分析方法通过Pushover分析实现了传统结构易损性分析方法需要进行大量弹塑性时程计算才能达到的目标。

行波输入下双单自由度体系结构的最大振动相对位移

在地震行波输入下,双单自由度体系结构由于行波激励引起的不同向振动会导致较大的相对位移。基于随机振动理论方法,首先推导行波输入下双单自由度体系结构最大振动的相对位移公式,然后分析该结构的结构动力特性对相关系数的影响。研究结果表明:结构的相关系数及其幅值会随着两相邻结构基本周期数值的接近而增大,相关系数会随着结构阻尼比的增大而增大。然后在相关系数的幅值特性进行研究和参数分析结果的基础上提出了最小周期比限值拟合曲线,结果表明当双单自由度体系结构的最小周期比小于最小周期比限值时,系统的最大振动相对位移计算公式中可以忽略相关系数的影响,从而使计算大为简化。最后通过工程实例描述最大振动相对位移计算公式的工程应用。研究结果对该类体系结构在实际工程中的应用具有一定的理论和指导意义。

用等效弹簧-质量体系确定单自由度结构的自振频率

基于虚功原理,将不符合单自由度杆系结构自振频率计算公式的单自由度结构,转化为一个等效弹簧-质量体系,从而可用该公式计算其自振频率,扩大了公式的适用范围.由于用本文方法计算自振频率,不必建立动平衡方程,所以较为简便.本文结果与按照建立运动微分方程得到的结果完全相同.

试验模态分析法测定多自由度结构动力特性实验设计

针对多自由度结构动力特性的测定,设计了四层钢结构模型,采用试验模态分析法,求得结构的频率、阻尼和振型等振动模态参数。通过该实验操作使学生掌握试验模态分析法测定多自由度结构动力特性的方法,有助于增强学生动手实践能力和科研创新能力。该实验项目可作为土木工程专业本科实验教学的自选实验,也可作为大学生创新实践活动的学习与培养内容。