设置支撑的广义Maxwell阻尼耗能系统非均匀非平稳地震响应分析

针对设置支撑的广义Maxwell阻尼耗能系统,结合虚拟激励法,构建了均匀与非均匀非平稳地震响应的数值分析方法。首先,构造设置支撑的广义Maxwell阻尼耗能系统,通过扩阶方法建立结构动力方程;然后基于高效的虚拟激励法,获得了非均匀精细积分较一般精确格式;最后解出广义Maxwell阻尼耗能系统的均匀与非均匀非平稳地震响应方差。通过算例验证本文方法的正确性,该方法具有应用范围广、效率高、工程应用强的特点,为黏弹性阻尼耗能系统在非均匀非平稳地震激励下的响应分析提供了方法。

非平稳随机地震激励下多层框架-摇摆墙结构的响应分析

框架-摇摆墙是一种可有效提高建筑抗震性和韧性的组合自复位结构,为充分了解其在地震下的随机响应特性,构建多自由度框架-摇摆墙结构的简化非线性方程,并利用等效线性化,基于响应的伪谐波行为假设,构建含时变参数的等效线性动力方程;基于随机平均的原理,得出控制响应幅值概率密度函数(PDF)的时间演变形式的福克-普朗克-科尔莫哥洛夫(FPK)方程,最终得出随机响应时间相关方差的一阶微分方程;并以某教学楼一榀框架为样本构建算例模型进行验证。结果表明:近似解析方法具有优异的精确度,在保证随机响应时间相关方差准确性的前提下,相对于传统的蒙特卡罗模拟(MCS)方法可提高分析的效率;在可分离形式和不可分离形式的非平稳地震动功率谱模型的结果中,随机响应方差曲线趋势与随机地震激励的形式相关,且在分段式调制非平稳谱作用下其分段点表现出很明显的不平滑现象;不同类型的随机地震激励扰动下的结果证明了此方法优异的适用性。

水平非均匀场地中油气管道地震响应分析及试验

针对水平非均匀场地中埋地油气管道的地震响应,开展了埋地油气管道振动台试验和有限元模拟分析,研究了不同强度地震激励下埋地油气管道的应变和加速度响应,以及场地管周土体的加速度和位移响应规律。结果表明:研发的土箱能够满足试验的要求,试验方案合理可行;由于非均匀场地土体特性的不同,在地震激励下不同土体的动力响应不一致,进而会对管道不同区段形成不同的动力作用,加剧管道整体的动力响应;随着加载等级的提高,土体在振动过程中先是被压实,然后逐渐破坏,土体的非线性特征越来越明显,管道振动现象更为明显;相比于均匀场地条件,相同工况非均匀场地条件下的管道应变峰值和加速度峰值响应明显增大,表明非均匀场地条件下管道周围的土体破坏更为严重,管道的运动更加剧烈。建议在埋地管道抗震设计中要考虑非均匀场地条件和管周土体特性不一致对管道地震响应的增大影响。

深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝非平稳随机地震动响应分析

由于良好的环境适应能力沥青混凝土心墙坝是我国西南强震区深厚覆盖层场地的优选坝型,然而对于沥青混凝土心墙坝非平稳随机地震作用下的抗震安全评价研究尚有不足。采用改进的Clough-Penzien功率谱结合随机函数,充分考虑地震动频率与强度的非平稳特征,生成了一系列与反应谱拟合的非平稳随机地震动集合,以某深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝为例,对其坝顶水平加速度及竖向永久变形等响应的均值及变化范围等进行了统计分析及分布检验,揭示了覆盖层与坝体响应均值及变异性沿高程变化规律,并通过概率密度演化方法,展示了坝顶水平加速度概率密度沿时间的演化过程,同时对生成的55条非平稳随机地震动进行调幅,结合多条带分析法易损性分析方法开展了深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝非平稳随机地震动易损性分析,给出了以震陷率为破坏等级控制指标的坝体易损性曲线,为深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝的抗震安全评价提供了新的方法和思路。

下击暴流风冲击作用下输电塔非平稳动力响应的频域方法

下击暴流是强对流天气下的一种局地极端风,具有尺度小、风速大、突发性等特点,是导致输电线路风灾破坏的主要原因之一。开展下击暴流风冲击作用下输电塔风振响应的计算理论研究具有重要的意义。论文依据时变平均风和非平稳脉动风场的理论模型,给出移动下击暴流冲击风荷载在时域及频域表达式;继而基于随机振动理论,推导建立了输电杆塔非平稳脉动风振响应的频域解析方法,再通过首次超越极值理论,给出了非平稳下击暴流作用下输电杆塔响应极值的精确分布。进一步,论文探讨了将原有不同步非平稳下击暴流脉动风激励视为同步且慢变过程近似结果的精确性,并在此基础上提出了平稳等效的极值分布和峰值因子的实用简化计算方法。论文采用随机样本的有限元瞬态动力分析结果,检验了上述频域理论方法的精确性。研究表明:该文提出的非平稳响应极值分布的理论解精确性高、同步慢变激励简化得到的等效平稳方法计算便捷且结果略偏保守。该文研究为推动建立输电杆塔抗下击暴流设计体系提供了计算理论基础和技术支撑。

人行桥在行人荷载激励下的非平稳随机响应

采用虚拟激励法和微分求积法相结合的DQ-PEM法研究在行人荷载激励下人行桥的非平稳随机响应.与以往的虚拟激励法不同的是该方法以简单谱模型为基础,建立行人强迫函数的谱密度,求得多自由度体系人行荷载下的多模态.通过工程算例验证该方法的准确性与有效性,并进一步讨论不同速度和不同约束条件下梁式结构受行人荷载作用的随机振动问题.

基于光响应非均匀性的WhatsApp压缩视频来源识别

光响应非均匀噪声(photo response nonuniformity,PRNU)是光学成像传感器成像时引入的一种独特噪声,可有效识别压缩视频的来源。针对现有算法提取压缩视频的PRNU效果并不显著的问题,论文提出了一种改进PRNU提取算法。首先,去除视频编解码的环路滤波器,对视频帧使用双密度双树复小波变换进行分解;然后对高频子带使用基于贝叶斯阈值估计的双变量收缩算法进行估计,再使用自适应加窗维纳滤波进行二次估计,得到噪声残差;最后用基于量化参数值加权的最大似然估计法聚合噪声残差,再与视频帧估计得到PRNU。实验结果表明:该文提出的方法在20 s时WhatsApp视频的识别率为75%。

列车移动荷载与非一致地震动作用下轨道-路基系统动力响应

为研究列车移动荷载与非一致地震动耦合作用下轨道-路基系统动力响应规律,以京沪高铁和CRH3型列车为研究对象,建立了三维精细化有限元模型,进行了耦合荷载作用下轨道-路基系统动力响应分析。通过平稳地震动时程乘以包络函数合成了非一致地震动,参数化分析了列车运营时速、轴质量及非一致地震动震级对轨道-路基系统动力响应影响规律。结果表明:轨道-路基系统响应幅值并非随列车运行速度提升而增大,存在一个包括临界速度的范围,在此范围内列车移动荷载与非一致地震动耦合作用下轨道-路基系统将会出现强烈振动;随着列车轴质量或地震动PGA(peak ground acceleration)增大,轨道-路基系统出现更显著的震动响应。与一致激励相比,非一致激励下轨道板竖向位移峰值和竖向加速度峰值的出现时间更早。

非均匀流环境中悬浮隧道锚索动力响应分析

为研究非均匀流作用下悬浮隧道锚索动力响应,建立了锚索-管体耦合振动理论模型。基于Hamilton原理建立了指数型流场环境中悬浮隧道锚索-管体系统振动方程组,求解得到锚索的动力响应,分析了最大流速和锚索-管体频率比对动力响应的影响。结果表明:在非均匀流中,悬浮隧道锚索表现出多频振动的特点;随着流速的增大,锚索最大位移值并不随之增大,但会激发锚索高阶模态参与振动并发生主振模态的转换。当涡激升力频率接近锚索的某阶模态频率时,锚索会出现涡激共振,锚索最大位移值一般出现在主振模态的峰值处。锚索-管体频率比为2时,锚索会受到涡激振动和参数共振的联合作用。

断层接触非均匀性对米尺度断层黏滑失稳成核过程的控制

非均匀性是野外断层的重要特征,我们利用预制的具备接触非均匀性的米尺度岩石断层开展黏滑实验,模拟野外地震失稳过程.通过观测预制岩石断层发生的多个黏滑事件的应变时空演化,并对比断层接触非均匀性测定结果发现:(1)断层的接触弱段是成核最先启动,即最早发生预滑的区域,随失稳临近,预滑区域扩展且滑动速率增加,与厘米尺度均匀断层相比,准静态过程的预滑扩展不明显,向准动态过程转变突然且迅速;(2)断层的接触强段在成核期间一直处于闭锁状态,应力升高,且随失稳临近增幅加强,强段的屈服是断层从缓慢破裂到快速破裂的转折点,接触强段的持续闭锁在以往的厘米尺度均匀断层黏滑实验中较为少见;(3)加载速率以及加载历史是影响米尺度断层成核持续时间的重要因素,随加载速率变慢,成核持续时间变长,随加载历史变长,断层趋于均匀化,成核持续时间变短.上述研究结果明确提供断层接触非均匀性控制成核过程的直接证据.这不仅有助于将实验结果向可操作的地震预测实践转化,也有助于促进(大陆浅源)地震前兆机理的探索及理解.

黏弹性隔震系统非均匀与完全非平稳地震响应解析分析

为建立设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能结构及阻尼器系统的抗震动力可靠度分析方法,提出了在非扩阶空间上,基于非均匀和完全非平稳地震激励下,设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能隔震系统响应的通用解析解。对于设置支撑的实用黏弹性阻尼器做等效变换,并建立隔震结构系统的运动方程,在非扩阶空间上获得系统在任意激励和非零初始条件下瞬态响应的非正交模态叠加精确解。基于地震动的强度非平稳和频率非平稳,获得了耗能隔震结构位移、速度,阻尼器受力、受力速度,支撑位移、速度以及阻尼器位移、速度的非平稳均方响应通用解析表达式,并具体得到经典均匀与非均匀调制非平稳随机地震激励和C-P完全非平稳地震动功率谱模型的具体响应解析解。通过结构系统各响应基于该方法的频响函数与直接求解的频响函数对比验证了该方法的正确性。该分析方法的建立为设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能结构及阻尼器系统的抗震动力可靠度分析乃至抗震设计方法的研究提供了一套新的分析途径。

一般线性黏弹性阻尼器保护系统非均匀与完全非平稳地震响应解析分析

为建立设置支撑的一般线性黏弹性耗能结构阻尼器保护系统的抗震设计和动力可靠度分析方法,提出了在非扩阶空间上,基于非均匀和完全非平稳地震激励下,设置支撑的一般线性黏弹性耗能结构阻尼器保护系统响应的通用解析解。采用设置支撑黏弹性阻尼器的最一般积分型分析模型,用微分积分方程组实现设置支撑的一般线性黏弹性阻尼耗能结构系统的非扩阶建模;采用传递矩阵法,直接获得耗能结构阻尼器保护系统在任意激励和非零初始条件下瞬态响应的非扩阶模态叠加解析解;应用此解析解和随机振动频域分析法,获得了耗能结构阻尼器保护系统在一般和8种经典均匀与非均匀非平稳地震激励以及完全非平稳地震功率谱模型下的具体响应解析解。通过减震和隔震两种典型结构的复模态法和频响函数法的理论验证分析,以及均匀、非均匀、完全非平稳算例响应分析,证明了本文方法的正确性、简易性和普适性;所获得的瞬态响应解析解和非平稳地震响应分析法,一方面可对整体耗能系统各构件进行基于泊松假设的抗震动力可靠度分析,另一方面将为结构系统建立基于反应谱的模态叠加抗震设计提供分析路径。

设置支撑的广义Maxwell阻尼耗能结构系统均匀与非均匀随机地震响应分析

地震动最精确的模型为强度非平稳和频率非平稳,为此对设置支撑的广义Maxwell阻尼耗能结构均匀与非均匀非平稳地震响应进行了研究。首先,通过扩阶方法建立了设置支撑的广义Maxwell阻尼器的结构动力方程,构造设置支撑的广义Maxwell阻尼减震系统;然后利用虚拟激励法分析结构的非平稳随机地震激励,最后利用精细积分法的改进格式解出广义Maxwell结构的非均匀非平稳地震响应方差。通过算例分析了均匀非平稳地震激励下广义Maxwell结构的地震响应方差对比精确解,验证了本文方法的准确性,并进一步将该方法研究应用于非均匀非平稳地震激励下,耗能结构系统的地震响应分析。分析表明该方法对于此类问题的计算具有应用范围广、效率高、工程应用强的特点,为粘弹性阻尼耗能减震结构在非均匀非平稳地震激励下的响应分析提供了方法。

周期与色噪声联合作用下分数阶Duffing振子非平稳响应的无记忆方法

基于统计线性化提出了一种求解周期与色噪声激励联合作用下分数阶Duffing系统非平稳响应的无记忆方法。将系统响应分解为确定性周期和零均值随机分量之和,则原非线性运动方程可等效地化为一组耦合的、分别以确定性和随机动力响应为未知量的分数阶微分方程。利用无记忆化方法将确定性和随机分数阶微分方程转化为相应的常微分方程。利用统计线性化方法处理随机常微分方程,得到关于随机响应二阶矩的李雅普诺夫方程。利用数值算法联立求解李雅普诺夫微分方程和确定性常微分方程。通过Monte Carlo模拟,验证此方法的适用性和精度。

一般黏弹性耗能单自由度系统非均匀和完全非平稳地震响应分析

为建立一般线性黏弹性耗能结构及其保护系统的抗震分析与设计方法,对设置支撑的一般黏弹性阻尼耗能单自由度结构瞬态响应解析解和非平稳地震响应分析进行了系统的研究。首先,构造最一般线性黏弹性阻尼耗能单自由度结构模型;然后,采用传递函数法,获得结构及其保护系统在任意激励和非零初始条件下时域瞬态响应的非扩阶模态叠加解析解;最后,应用此解析解获得了一般线性黏弹性耗能结构及其保护系统在非均匀与完全非平稳地震激励下的具体响应解析解。通过两种典型耗能结构以及复模态法和频响函数法,验证了该方法的正确性、简易性和普适性;所获得的时域瞬态响应解析解和非平稳随机地震响应解析解,为建立单自由度设置支撑的一般黏弹性阻尼耗能系统非均匀与完全非平稳地震响应分析提供方法。

全球非均匀模型中的远震走时层析成像

远震走时层析成像是研究地球内部结构的重要工具.通常,远震走时层析成像使用一维地球参考模型计算研究区域外地震射线.由于地球存在广泛非均匀结构,传统远震走时层析成像在计算射线时忽略了研究区域外非均匀结构对射线的影响,最终导致对研究区域内的成像结果产生影响.为了减小模型外地球非均匀结构对远震走时层析成像的影响,本文利用迎风差分格式数值求解程函方程,得到全球非均匀模型中的远震射线,以此为基础发展了基于全球非均匀模型的远震走时成像方法.为了检验本文成像方法提升成像精度的有效性,选取青藏高原东北缘为研究对象.合成测试和实际数据成像结果显示,在考虑地球非均匀结构以后,成像结果更精确,结果展现更多成像细节.

非一致激励下埋地管道地震响应数值模拟及其试验验证

为了研究埋地管道在非一致激励下的地震响应,本文利用已开展的埋地管道非一致激励振动台试验,建立了能考虑埋地管道非一致地震激励和管-土非线性动力相互作用的三维有限元数值模型。该模型采用静-动力耦合分析方法,土体选用Davidenkov非线性本构模型,管-土相互作用采用摩擦接触以考虑管-土的滑移、分离现象,模型边界采用滚轴边界,模型底部地震动输入为振动台试验中主动箱底部加速度传感器测得的加速度时程。分析结果表明:数值模拟计算与振动台试验实测结果在加速度时程、加速度放大系数及沿管道轴向的应变峰值曲线等方面吻合较好,体现出了相似的规律,相互印证了数值模型和振动台试验结果的正确性。

2022年泸定地震某隔震建筑内非结构构件震害模拟分析

2022年9月5日四川泸定地震中,位于震中近断层场地的一栋采用隔震设计的建筑内部非结构构件发生不同程度的破坏。非结构构件作为整体结构经济价值最重要的组成部分,减小其地震损伤对于建筑震后功能恢复至关重要。为此,在介绍该建筑内部非结构构件主要震害的基础上,采用二阶段级联方法对非结构件在地震中的具体运动响应进行模拟。第1阶段,在Etabs中建立一8层框架–剪力墙结构有限元模型,基于实测邻近台站近断层强震记录的非线性地震反应分析,模拟该建筑各楼层地震响应;第2阶段,以建筑内部文件柜等常见浮放式非结构构件为原型,在OpenSees中建立零长度转角弹簧模型,以上一阶段的结构楼面加速度响应作为输入,模拟建筑内部不同尺寸高宽比非结构构件的摇晃与倾覆响应,并同时考虑水平单向输入与水平–竖向双向输入两种方式,重点考察近断层地震强竖向分量的影响。结果表明:隔震层能有效降低上部结构的水平楼面加速度响应,但竖向楼面峰值加速度相比竖向地面峰值加速度被显著放大;水平与竖向激励同时输入下浮放式设备的摇晃角度与倾覆概率大于水平单向激励输入的情况,考虑竖向激励的作用后会增大浮放式设备的倾覆破坏风险。因此,在近断层场地进行建筑抗震设计时,强竖向地面运动对建筑内部非结构构件的影响不容忽视。

结构在水平与竖向地震同时作用的非平稳响应

本文对单自由度结构在水平与竖向地震同时作用下的随机地震响应问题进行了系统研究。首先用简明的推导方法,建立了结构参激随机振动方程;其次利用Stratonovich随机微分方程、It随机微分方程、FokkerPlanck方程和矩微分方程的相互转换关系,用统一的公式法,建立了结构响应矩方程;然后根据Hurwitz随机稳定准则,获得了结构一阶和二阶响应矩渐近稳定条件的解析判断式;最后针对非平稳水平地震激励的最典型四种强度包络函数,综合应用复模态法,获得了结构非平稳响应二阶矩的解析解,给出了算例,并综合分析了各种参数对结构响应和稳定性的影响。

Maxwell阻尼耗能结构非平稳地震响应解析分析

对单自由度广义Maxwell和多自由度Maxwell阻尼耗能结构非平稳随机地震响应问题进行了系统研究。首先通过构建单自由度和多自由度耗能结构在原始空间和扩阶空间上的特征值和特征向量的精确对应关系,将耗能结构位移、速度和阻尼器受力的时域响应计算公式用结构原始空间上的特征值和特征向量解析表出;然后针对7种经典均匀调制白噪声地震激励和2种经典均匀调制滤过白噪声地震激励,获得了耗能结构位移、速度和阻尼器受力的非平稳均方响应的解析解,并使耗能结构非平稳响应的解析分析与计算,完全转化为耗能结构在原始空间的特征值和特征向量的解析分析与计算,从而构建了基于耗能结构非扩阶特征值和特征向量分析,获得耗能结构非平稳地震响应解析解的一整套方法。