非平稳地震激励下惯容耗能结构动力响应解析法

针对惯容减震系统在非平稳地震激励下动力响应研究不足的问题,提出设有混联Ⅰ型惯容减震系统的多自由度耗能结构动力响应时变方差的解析解法。根据惯容减震系统的本构关系、结构的动力方程及非平稳地震激励,综合利用复模态法和虚拟激励法,将惯容耗能结构解耦为一阶系统,以便获得结构位移、速度、层间剪力等响应量的统一解。采用二次式分解法将统一解的时变功率谱密度函数转化为惯容耗能结构复模态特征值、模态系数、时变模态强度系数和含有圆频率平方项的二次式乘积的线性组合。在此基础上,利用非平稳模态谱矩在无限积分区间有解析解的特征,推导出非平稳地震激励下耗能结构响应时变方差的解析解。通过采用突加型白噪声激励对结构动力响应进行分析,验证了所提动力响应功率谱和时变方差的正确性。同时,基于突加型Kanai-Tajimi模型的框架结构动力响应研究,分析了惯容系统参数对减震效果的影响。所提方法可适用于线性结构在其他非平稳调制函数的地震动下的响应分析。

基于绝对位移法的曲线梁桥多维多点弹塑性随机响应分析

针对当前地震动空间效应下曲线梁桥地震反应分析多采用确定性激励输入且忽略桥梁非线性的情况,采用了多维多点非平稳随机激励对曲线连续梁桥进行弹塑性响应分析。建立非线性有限元模型并降维解耦非平稳地震动非平稳演化功率谱(energy power spectral density,EPSD)矩阵,采用绝对位移法对桥梁进行非线性时程分析。考虑不同视波速、场地条件、相干性以及平稳与非平稳地震激励,综合分析了曲线连续梁桥的随机响应及其频域特性和时域特性。结果表明,地震动空间效应和地震动的非平稳性对曲线梁桥随机响应影响很大,其中地震动空间效应对桥梁随机响应大小及其频域分布有显著影响,而非平稳性会对随机响应大小及其时变响应趋势产生重要影响。因此,在曲线连续梁桥抗震分析中需充分考虑地震动空间效应和地震动非平稳性,以避免错误估计桥梁抗震性能。提供了全面的分析结果,对加强曲线连续梁桥的抗震设计和评估,从而提高其抗震性能和可靠性具有重要意义。

大型钢桁架式渡槽结构地震响应研究

针对非一致地震激励下大型钢桁架式渡槽结构的隔震响应开展研究,依托实际工程在ABAQUS中建立了渡槽结构的整体有限元模型,给出了非一致激励的输入方法和摩擦摆隔震支座的简化模型,通过试验验证了摩擦摆隔震支座简化模型的准确性,并对一致激励和非一致激励、无隔震支座和有隔震支座的数值模拟结果分别进行了对比。结果表明:中墩正上方的桁杆为渡槽结构的最薄弱位置;非一致激励会显著增大渡槽结构,尤其是边跨的动力响应;在中墩顶部设置摩擦摆隔震支座能起到较好的隔震减震效果,提升桁架结构和槽墩的地震安全性。

深切峡谷上承式钢管混凝土拱桥地震响应分析

为探究深切峡谷地形对桥梁结构体系且考虑场地效应的抗震问题,以东溪河特大桥为例,根据桥址实际地形建立空间平面应变场地模型以及建立全桥有限元空间动力计算模型,采用线性时程分析法对比在一致激励分析与考虑场地效应的非一致激励下结构的地震响应。结果表明:1)场地效应均放大了两岸拱脚位置处的地震动,南岸地震动大于北岸,且场地效应会提升短周期结构在地震作用下的破坏能力;2)场地效应对增大拱肋上弦管拱脚、1/4拱肋和拱顶的弯矩及拱肋轴力也有一定的放大效果,其规律不明显,此外拱肋竖向位移在场地效应下显著放大;3)场地效应对交接墩和拱上立柱在地震响应下内力和位移响应的放大规律基本一致,但矮墩对场地效应更加敏感。

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。

非一致地震激励下大跨度桥梁随机振动时域显式法

对于大跨度桥梁结构,地震激励的空间效应不应忽略。考虑到随机地震激励的非平稳特性,为提高计算效率,有必要在时域内直接开展非一致地震激励下大跨度桥梁的随机振动分析。基于相对运动法,推导非一致地震激励下结构动力响应的时域显式表达式,提出可考虑非一致地震激励的时域显式直接法,可快速获取结构响应的统计矩;同时提出高效的时域显式随机模拟法,可进一步获取非一致地震激励下结构响应的平均峰值等更全面的统计信息,并可有效实现结构的动力可靠度分析。以某主跨1200m悬索桥为工程实例,开展顺桥向非一致地震激励下的随机振动分析,分别研究地震激励的行波效应、失相干效应和局部场地效应对桥梁关键响应标准差、平均峰值和结构抗震动力可靠度的影响。研究结果表明,对于该桥主梁跨中和主塔塔顶顺桥向位移,非一致地震激励下的响应标准差和平均峰值均小于一致地震激励下的结果;而对于该桥主塔塔底内力,非一致地震激励下的响应标准差和平均峰值有可能大于一致地震激励下的结果,其中弯矩和剪力的平均峰值增幅分别可达21.6%和19.5%;此外,地震激励的空间效应对该桥的体系失效概率也有较大影响。

大跨度空间结构多维多点非平稳随机地震反应分析

对大跨度空间结构进行三向正交地震动多点激励下的非平稳随机地震反应分析。建立了多维多点随机非平稳地震动激励下的地震反应分析方法,并针对大跨度空间结构引入了波前法进行简化计算。数值仿真分析了天津奥林匹克中心体育场屋盖结构分别在一维随机地震动或三维随机地震动的一致激励、行波激励以及考虑部分相干效应和地震非平稳性的多点激励下的地震反应,结果表明:考虑地震动空间效应会使结构控制杆件内力增大约30%;考虑部分相干效应会使结构杆件内力变化约10%;考虑多维地震输入会使结构控制内力增大约15%;考虑地震动的非平稳性会使结构杆件内力减小约35%。由此可以得出结论,对于大跨度空间结构的地震反应分析,必须考虑地震动的多维输入和多点激励;然而不考虑地震动的非平稳性,其抗震设计偏于安全。

地下管线-土非一致激励振动台试验研究

地下管线的非一致激励振动台试验研究在国内外还属于空白。通过设置在两个振动台上的层装剪切箱,埋入钢制管道,输入合成相干地震波,进行了埋地钢管管土相互作用非一致激励振动台模型试验研究,探讨了非一致地震激励下的埋地管线-土的反应规律及发展变化过程。试验数据分析表明:(1)非一致激励输入的结构反应大于对应一致输入下的结构反应;(2)管土接触面不同点处的破坏发展是不同步的;(3)土体的相对位移是影响管体应变的直接因素(4)随输入振幅的增大,管土的振动形态出现很大差别。

横向非一致激励下土层地震响应的振动台模型试验研究

针对自由场土体的非线性地震响应问题,采用悬挂式连续体模型箱,开展了横向一致激励和非一致激励下砂土自由场土体的振动台试验。通过试验,研究了不同地震动、不同地震强度作用下自由场土体的地震动反应特性及其变化规律,包括场地土体的动力特性、加速度地震响应、剪应力-剪应变以及土体的沉降。研究结果表明:土体的非线性发展程度不仅与地震动记录有关,还与地震动输入方式、加载等级有关;与一致激励相比,非一致激励下土体运动的不一致性引起了更强的土体结构性变化,频率降低,阻尼比增大,土体的加速度峰值和频谱峰值均有降低,土体的非线性发展相对较快。土体剪应力-剪应变曲线和沉降曲线的变化规律一定程度上也反映了土体的塑性发展情况,所得结论和自由场地震反应宏观现象一致,彼此佐证了结论的合理性。

纵向非一致激励下自由场土体的非线性地震反应研究

土体地震反应分析对结构的地震反应和抗震安全性评价具有重要的意义,以大型振动台模型试验为手段,研究一致激励和非一致激励下自由场土体的非线性地震反应规律及其影响因素,能够为结构的地震破坏机制分析提供支撑。通过对场地土体的动力特性、加速度响应、剪应力-剪应变曲线以及土体沉降的分析,研究了不同地震动、不同地震强度作用下自由场土体的地震动反应特性及其变化规律。研究结果表明:土体的非线性发展程度不仅与地震动记录有关,还与地震动输入方式、加载等级有关;在大震或纵向非一致激励作用下,土体运动的不一致性导致了更强的土体结构性变化,频率降低,阻尼比增大,土体刚度弱化,土体的非线性发展相对较快;土体剪应力-剪应变曲线和沉降曲线的变化规律一定程度上也反映了土体的塑性发展情况。所得结论和自由场地震反应宏观现象一致,彼此佐证了结论的合理性。

基于埋地管道非一致激励振动台试验的土层地震响应研究

利用北京工业大学振动台九子台台阵系统,首次设计并开展了多点非一致激励下埋地管道的三台阵振动台试验,研究非一致激励下土层的地震响应。通过试验,观测了振动过程中场地土表现出的宏观现象,分析了自由场和非自由场土体的动力特性及加速度响应,研究了不同地震动、不同地震强度一致和非一致激励作用下土体的地震反应特性及其变化规律,比较了自由场与非自由场土体的加速度放大系数和同一测点的加速度时程及傅氏谱。研究结果表明:土体的地震响应除了与地震动记录、加载等级有关外,还与埋设的结构有一定的关系。非自由场的阻尼比、基频等动力参数略大于自由场的参数;在较低加载等级下,管道受周围土体约束作用较强,其地震反应基本上服从于土体的反应,但随着加载等级的提高,土体约束作用降低,管道的加速度稍大于土体的加速度;埋地管道的存在于一定范围内对土体的动力特性有一定的影响,但超过一定范围,这种影响将迅速减弱。所得结论与振动台试验所得的地震反应宏观现象一致,彼此佐证了结论的合理性,为后续埋地管道的地震破坏机制分析提供支撑。

非平稳地震作用下随机结构动力可靠度计算

对非平稳地震作用下的含随机参数结构,建议了一类结构体系动力可靠度的数值模拟求解方法。把结构动力方程写成状态方程形式,采用精细积分法对状态方程进行数值求解,将结构响应表达为一系列随机系数和离散时刻处随机激励乘积的和形式。随机系数为结构随机参数的函数,反映结构随机参数对随机响应的影响。在确定性结构非平稳随机响应时域分析方法的基础上,采用不含交叉项的二次多项式对该随机系数进行重构,获得了结构响应关于结构随机参数和离散时刻处随机激励的显式表达式。基于该显式表达式,利用数值模拟技术可以方便地进行首次超越失效准则下结构体系动力可靠度的求解。对一榀非平稳地震作用下的含随机参数框架进行了结构体系动力可靠度分析,并在计算精度和计算效率上与传统蒙特卡罗法进行了比较,结果显示所提出的方法具有理想的精度和相当高的效率。

纵向非一致激励下非均匀场地中埋地管道的振动台试验研究

埋地管道的地震响应主要受管道沿线地震动空间分布特性及场地非均匀性的影响。为研究非均匀场地中埋地管道在纵向非一致激励下的抗震性能,开展了均匀和非均匀场地中埋地管道的多点非一致激励振动台模型试验。分析了均匀和非均匀场地中埋地管道在不同地震强度作用下的应变响应,研究了纵向非均匀场地对埋地管道地震反应的影响。试验结果表明,在纵向一致激励作用下,非均匀场地中埋地管道轴向方向上的最大峰值应变出现在场地变化的过渡区,且其高于均匀场地下的峰值应变。在纵向非一致激励作用下,在较低加载等级下,管道峰值应变的大小与均匀场地下相比有所减小,但在较高加载等级下,峰值应变却急剧增加。与纵向一致激励作用不同,在纵向非一致激励和非均匀场地的共同作用下,最大峰值应变可能出现在场地变化的过渡区或土体介质较软的场地中。研究结果为进一步研究非均匀场地对埋地管道地震响应的影响提供了依据。

多维非平稳随机地震响应分析的快速算法

在一维虚拟激励法的基础上,通过激励功率谱的分解,建立了多维非平稳地震激励作用下结构随机响应的虚拟激励法。通过理论推导证明了该法具有与经典随机振动理论的精确解相同的精度,但在计算速度上比经典随机振动理论快得多,为结构地震响应的随机振动分析提供了有效的工具。

多维多点相关地震动作用下埋地管线地震响应的数值模拟

为了研究考虑地震动的空间相关性时埋地管线的地震响应,基于Opensees有限元程序,对埋地管线在多维多点相关地震动作用下的响应进行数值模拟。模型中采用基于柔度法的非线性梁柱单元模拟管体结构,利用基于频域合成法生成多维多点人工地震动实现地震激励输入,采用零长度单元考虑管体和土体在其接触面上的非线性力学行为。数值模拟结果表明:0.2 g地震强度下,非一致激励下管道的应变响应主频是一致激励下管道应变响应主频的4~5倍;在0.1 g地震强度下,非一致激励得到的管体应变最大可以达到一致激励下管体应变的1.5倍,且随着地震强度增强两者的差距明显增大,这种差距可能使在一致激励下安全的埋地管线在考虑非一致激励时变得不安全。所以在抗震设防等级较高的地区,考虑非一致地震激励作用对于埋地管线的破坏是必要的。

非一致激励下钢管混凝土拱桥平稳随机地震响应分析

对一座三跨钢管混凝土拱桥在多维非一致随机地震激励下的响应进行研究.利用功率谱和规范反应谱之间的转换关系,使用最小二乘法来拟合地震动模型参数,用于对结构进行多维非一致随机激励的输入.在综合考虑部分相干效应、行波效应以及局部场地效应的基础上,使用虚拟激励法,数值仿真该桥在地面运动的空间特性下的地震响应.分析结果表明,部分相干效应与行波效应复合的情况下,地震动空间特性主要体现在行波效应上;视波速引起的功率谱函数相位和峰值的变化直接影响结构地震响应;局部场地效应下,拱肋竖向弯矩随场地的柔软程度增大,剪力则相反.

粘弹性阻尼器多高层隔震结构随机响应分析

从随机过程的平稳性角度来看,随机过程模型可以分为平稳和非平稳两类模型。为了研究一般线性粘弹性阻尼耗能隔震多层结构的非平稳响应,采用拉氏变换与数学推导的方法获得结构传递矩阵的表达式,分别针对2种平稳地震激励和3种非平稳地震激励模型,获取结构响应解析表达式,建立了一般线性粘弹性阻尼耗能隔震结构平稳与非平稳响应的解析分析法。算例分析结果表明:阻尼器参数变化过程中,阻尼器对同一结构在非平稳和平稳激励下的结构响应控制效果变化趋势相同,且控制效果均良好。

非一致激励下长大盾构隧道结构地震响应分析

采用数值模拟的方法对非一致激励下土–隧道体系的地震响应进行研究,旨在探究非一致激励下地下结构的响应规律及其与一致激励下响应的差异。首先基于相干函数、功率谱函数以及包络函数进行了多点相关的人工地震动合成,并通过与目标功率谱的对比验证了所合成人工波的合理性。然后对生成的地震波进行批处理,得到可用于计算的人工地震波,包括一致波、行波、相干波、相干行波。并以一精细化长大盾构隧道模型为研究对象,在其底部按单元分别进行四种波的输入,计算分析隧道结构及土体的地震响应规律。对比分析表明:在响应幅值上,当纵向距离较小时,非一致激励下地表及结构响应在整体上小于一致波,但随着纵向距离的增加,峰值加速度响应呈现递增趋势,且会超过一致激励下的响应;在频域上,非一致激励下主频处幅值相比于一致波有所减小,且主频右侧频段对应幅值增大。另外,非一致激励会引起隧道横截面内衬砌和横板产生更大的相对位移,且相干波和相干行波的影响更大,并体现出更为显著的空间变化性。因此,在进行大尺度地震模拟计算时,应适当考虑地震动空间效应的影响。

电视塔三维非平稳随机地震响应特性

采用随机振动复模态理论 ,对北京电视塔模型在三维非平稳地震激励下的响应特性进行了计算研究。结果表明 :塔下部结构与上部结构响应特性有较大的差别 ,塔身、塔楼、混凝土桅杆响应的演变谱密度主要分布在系统的第二、第四频率上 ,而钢结构桅杆的前六阶频率上均有较大的不可忽视的响应演变谱密度 ,因此对电视塔结构的抗震设计应根据响应的特点考虑高阶振型的影响。

钢框架基于复模态随机反应分析的抗震可靠度研究

首次将复模态法应用于钢框架结构的随机地震反应分析中,通过算例对钢框架结构在平稳地震激励下的抗震可靠度进行了计算分析。同时,提出了钢框架在非平稳地震激励下的反应统计量的求解方法。研究表明,钢框架结构在非平稳地震激励下的随机反应分析,可以利用扩阶的方法来进行,将求解结构非平稳随机响应转化为求解扩阶系统在均匀调制白噪声激励下的响应。采用复模态分析法可较方便地求解出结构在非平稳地震激励下弹性随机反应的协方差函数及均方差的解析表达式。