基于质量参与系数的空间结构动力模型简化

本文根据大跨度空间结构的动力特性,获得了大跨度空间结构地震反应的内在特征、变形机理及其振型分布规律.针对采用传统振型叠加法分析大跨度空间结构地震反应时质量参与系数累积速度慢的特点,根据质量参与系数的定义、振型截断原理及两者间的理论关系,提出了一种适用于大跨度结构动力分析整体计算模型的简化方法.数值算例验证了本文简化方法的有效性、准确性及计算效率.数值分析结果表明,本文简化方法简单、高效,且具有足够的分析精度.

振型参与质量系数详解

现行抗震规范和高规都有这个系数,并牵涉到其他几个概念。

浮筏动力特性分析时瑞利阻尼系数的计算方法

为减小瑞利阻尼参数对浮筏动力特性分析精度的影响,根据试验测得的模态频率和模态阻尼比,利用加权最小二乘法计算瑞利阻尼系数,以使得各阶模态阻尼比相对误差的平方和最小,与常用方法相比,可得到更为满意的效果。参与加权最小二乘计算的模态阶数影响到模态阻尼比的相对误差,综合考虑模态参与因子和有效模态质量,确定了主自由度有效模态质量累计参与系数高于95%的模态选取原则。依据该原则,将加权最小二乘法用于浮筏动力分析中瑞利阻尼系数的确定,根据该模态选取原则所确定的阻尼系数能满足浮筏动力特性工程计算的实际需要。

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。

多维地震输入下首都机场航站楼T3反应谱分析

首都机场航站楼(T3)下部为混凝土和钢混合框架,上部为复杂的双曲面形双层扁网壳,长960 m,宽780 m,为超大体量大跨度复杂空间钢结构体系。本文采用SAP2000有限元软件,对其进行了单维和多维地震输入下的反应谱分析,研究了单维和多维地震输入对构件内力、节点位移和地震总剪力的影响;研究了多维地震输入下地震响应值与按规范地震组合公式计算所得地震响应值的关系;研究了模态提取数目和质量参与系数的关系,CQC法中参与组合的模态数目与结构地震响应的关系。研究表明,采用振型分解反应谱法时,模态频率越高,对结构内力的影响越小,对于对结构影响较小的高频模态,可以忽略其对结构的影响;根据单维和多维地震反应的对比分析,对超大跨度复杂钢结构宜进行三维地震输入的反应谱分析。另外,本文提出了一种新的地震效应组合方法,可替代多维地震反应分析,并弥补现行规范的不足。

模态静力非线性分析中模态选择的研究

本文应用模态静力非线性分析方法,对多个算例进行了静力非线性分析。比较分析了不同振型组合对计算精度的影响,对模态选择的参数进行了研究,提出采用模态质量参与系数进行模态选择的控制,为模态静力非线性分析方法的推广使用提供参考。另外,分析了结构基本周期对该方法计算精度的影响。

高层建筑抗震设计振型数目选取原则

针对《建筑抗震设计规范》中高层建筑结构抗震设计时振型数目选取规定不明确的问题,研究了高层建筑结构抗震计算中诸多影响因素与振型选取的关系。经过动力学分析,认为不同的高振型会影响基底剪力沿结构高度的分布;振型参与质量是基于基底剪力等效得到的反映各阶振型对基底剪力贡献大小的参数;高层建筑抗震计算的振型数目选取与振型参与质量有关。研究结果表明:高层建筑结构抗震设计中高振型的影响不容忽视,在底部剪力和顶端位移误差小于5%的情况下,累计质量参与系数应大于90%;对于不规则结构,动力荷载参与系数应大于95%。

高墩梁桥的水平向主导振型理论分析

单自由度模型被广泛应用于规则中、低墩梁桥的抗震分析和设计,而高墩梁桥由于墩身高阶振型的影响,有必要发展多自由度甚至分布参数体系的简化分析模型和方法。基于分布参数欧拉梁理论对单墩-质点体系进行解析推导,分析了体系动力特性和振型质量分布的控制因素和规律,从纯解析角度更为严格的证明梁-墩质量比是决定体系水平向振型质量参与系数的主要因素。解释了已有数值分析结果给出的统计规律,纯解析给出比已有数值拟合公式精度更高、适用范围更广的分析公式,探讨了高阶振型的影响,最后给出手算评估等效单自由度模型有效性的建议公式。

世纪莲体育中心动力特性及反应谱分析

以佛山市世纪莲体育中心大跨度轮辐式张拉索膜结构为研究对象,采用ANSYS程序建立有限元模型,分析其动力特性,并用振型分解反应谱法计算地震作用下结构的受力性能。研究结果表明:结构自振频率较低,频谱集中,频率跳跃现象不明显;结构以屋盖的竖向振动为主,具有较好的抗侧刚度和抗扭刚度;反应谱分析时,为保证各方向的模态质量参与系数在90%以上,建议其振型取140阶以上;地震作用对结构上压环、下压环及腹杆的内力影响较大,必须参与荷载组合;不同方向地震作用下,结构内力及位移存在显著差别,应同时考虑一维及多维地震作用的影响。

开合屋盖结构动力特性研究

开合屋盖结构属于复杂多重子结构体系,其动力特性非常复杂,活动屋盖在竖向地震作用下的响应远大于根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)得到的结果。以国家网球馆(钻石球场)为例,对开合屋盖结构的振型模态与自振周期进行了深入分析,研究了质量参与系数的分布规律。高阶振型对开合屋盖结构动力响应的影响很大,尤其对于竖向地震作用,高振型起主要控制作用。在模态阻尼比的基础上,提出根据质量参与系数加权平均得到的一致阻尼比,物理意义明确,便于工程应用。计算分析表明,采用一致阻尼比算法得到结构各部位的内力及位移与按照模态阻尼比法的结果非常接近。

考虑高阶振型的工程地震动选取方法

抗震时程分析首先要确定地震动输入,合理的地震动输入是保证设计结果准确可靠的必要条件。提出考虑多阶振型影响的工程地震动选取方法,即计算单条地震动输入下,结构主要周期点处的加速度反应谱值;将各加速度反应谱值与反映场地特性的设计反应谱值的偏差,按各周期所对应的振型质量参与系数加权平均;控制加权平均偏差值即可选取出满足要求的工程地震动。以某高层办公楼为例验证了该方法的有效性。

基于改进遗传算法的TMD阻尼器的优化布置

调谐质量阻尼器被广泛应用于高耸结构振动控制。为了提高阻尼器的减振效果,基于安全性要求,建立等效二次型性能指标;通过改进遗传算法,求得TMD阻尼器的最佳安装位置,从而提高TMD减振系统的减振效果。最后通过仿真实验验证优化的意义,并得出一些结论:对于塔筒结构减振控制,不仅要针对低阶振型进行控制,高阶振型的扭转振动也不容忽视。

某大底盘非对称双塔结构的地震响应分析

以某大底盘不对称双塔结构为例,通过建立大底盘不对称双塔结构与大底盘不对称双塔连体结构的有限元模型,比较了两种结构的动力特性,并运用振型分解反应谱法对结构分别施加x、y向水平地震激励,得出了两个方向地震作用下的两种结构的层间位移与层间剪力。计算结果表明,连体可以很好地协调两个塔楼的变形,减少底盘处的剪力,增设连体对大底盘非对称双塔结构有利。

考虑高阶振型影响的改进的多模态推覆分析方法

将结构静力弹塑性分析与地震反应谱结合起来的Pushover方法是一种简单有效的结构抗震能力评定方法,本文简要介绍了这种方法的原理,并在多模态pushover分析方法的基础上,提出了改进的多模态pushover分析方法,用以建立钢框架结构的能力谱曲线。求解结构在性能点处的响应时,为了考虑高阶振型对结构抗震性能的影响,首次把振型质量参与系数应用到模态推覆分析结果的组合中。通过与弹塑性时程分析的比较,表明本文提出的改进的多模态推覆分析方法是可行的和准确的。

梁式桥抗震分析中等效单自由度模型的适用范围

将单柱式桥墩等效为单自由度体系进行计算,是抗震分析中常用的简化分析方法。研究了该简化分析方法在桥墩弹性、塑性响应两阶段的适用范围。首先,推导了基本振型质量参与系数的简化计算公式,以桥墩基本振型质量参与系数为等效程度评价指标,评价桥墩质量分布、墩高对等效程度的影响。其次,在桥墩响应的塑性阶段,验证了振型质量参与系数作为评价指标,在不同塑性程度下的适用性。研究结果可为选择恰当的单柱式桥墩抗震分析方法提供参考。

振型叠加法合理振型数目的确定

振型叠加法是常用的动力时程分析方法之一,参与计算的振型数目是影响该方法精度的重要因素。本文揭示了确定振型参与数目的质量参与系数法、振型位移控制法的数学背景及物理含义,分析了两者存在的不足。通过推导振型截断误差估计公式,提出了更合理的确定振型数目范数形式的方法。这种方法基于严密的理论推导,适用于任意动力荷载形式。计算结果表明,振型位移控制法所确定的振型数目过大,质量参与系数法提供的振型数目偏少,而本文方法更有优势。

高阶振型在山地掉层结构中的影响研究

设置不同掉层层数、掉层跨数和坎上楼层层数的模型,对比分析各模型在不同振型数下结构响应值的误差,根据分析结果来验证常用振型数量控制方法的适用性和差异性。结果表明,高阶振型对山地结构中掉层部分的内力响应影响显著。不同的掉层结构布置对振型数的选择有重要影响,掉层层数的增加使层剪力误差超限的楼层位置从顶层转移到掉层部分,致使掉层部分对高阶振型更加敏感。伴随着掉层跨数的减少,最大层剪力误差及误差超限的楼层数均呈先增大后减小趋势,即存在最不利的掉层跨数比,此时各内力响应误差均最大。坎上楼层的增加会提高掉层部分的剪力误差值。相对于层剪力,层间位移更易于通过提高振型数来控制精度。振型位移控制法的精度较高,但会增加大量结构计算和分析成本。振型质量参与系数法仅在个别结构中的层间剪力误差较小,总体来说其控制效果较差。解决这一问题,还需进一步研究以便提出一种新的振型控制方法。

山地掉层框架结构振型分解法合理振型数的研究

高阶振型对山地掉层结构的某些部位有不可忽略的影响。以振型分解法为基础,通过两种控制方法:振型质量参与系数法、振型位移法,两种控制精度:90%、95%,对一山地掉层框架结构进行振型截断,分析结构响应的差异性,并通过改变该结构布置形式,探讨振型截断的影响规律。结果表明,振型分解法对山地掉层框架结构是适用的。振型截断的误差主要体现在掉层部位的中上层和上部结构顶层。沿顺坡向,掉层部位是受控制精度影响最大的楼层。对掉层层数不同的结构,掉层数越少,两种控制方法不同控制精度下的差异越明显;对掉层跨数及上部结构层数不同的结构,两种控制方法的规律相似;沿横坡向,上部结构顶层是受控制精度影响最大的楼层,且两种控制方法有差异,在掉层层数不同时体现最明显。

广州蓄能水电厂A厂地下厂房结构振动特性分析

以SAP 2000为工具,建立广蓄A厂三维有限元模型,分析了其振动特性和动力响应。特性分析表明厂房存在机墩低阶振型与强迫振动频率错开不足的缺陷;响应分析表明,在个别工况下存在响应超标的问题,在应力组合情况下容易使结构开裂,但无碍于结构安全。

地震作用下连体高层结构的扭转效应分析

为解决连体高层结构在地震中引起的连廊垮塌失效问题,本文选取某大跨度连体结构为原型结构,并从连体结构与主体结构的相对刚度、连体结构的高度和连体结构的跨度等因素,分析地震作用对扭转效应的影响程度。同时,利用MIDAS GEN大型通用分析软件,建立了一系列基准化模型,并对选取的3种结构模型的前10阶周期进行比较分析。分析结果表明,连体结构的扭转效应将随着连体与主体相对刚度增大、连体设计高度的降低以及跨度的减小而有不同程度的增大,而且扭转效应也会有所放大。该研究为今后该类结构的抗震设计提供了必要的理论参考。