Research on the random seismic response analysis for multi- and large-span structures to multi-support excitations

The pseudo excitation method(PEM) has been improved into a more practical form,on which the analytic formulae of seismic response power spectral density(PSD) of simplified large-span structural models have been derived.The analytic formulae and numerical computing results of seismic response PSD have been derived to study the mechanism of multi-support excitation effects,such as the wave-passage effect and incoherence effect,for the seismic response of multiand large-span structures.By using a multi-span truss as an example,the influence of multi-support excitation effects on the seismic response of such structures is studied.

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。

空间网格结构多维多点随机地震响应分析的高效算法

将林家浩教授提出的"虚拟激励法"进一步推广应用于空间网格结构多维多点非平稳随机地震响应分析,推导了多维虚拟激励随机振动分析方法的理论公式,给出了峰值响应估计方法,并讨论了多维地震动的随机模型及参数选取,通过编制的专用计算机程序分析了网壳结构的随机地震响应。本方法自动包含了参振振型间及各输入地震分量间的相关项,计算精确、快速,非常适合分析频率密集型空间网格结构的随机地震响应,是一种高效的随机振动分析算法。

不同地震激励下大跨度斜拉桥的地震反应分析

考虑地震波的行波效应、部分相干效应和局部场地效应,建立了不同机制的地震激励下大跨度斜拉桥地震反应的分析方法并以正在建设的主跨1 018 m的香港某大跨度斜拉桥为例,数值仿真了大跨度斜拉桥在确定性地震波一致激励、行波激励以及随机地震动场多点激励下的地震反应。结果表明:与确定性地震波一致激励相比,在确定性地震波行波激励以及考虑空间变化的随机地震动场激励下,斜拉桥的纵向位移反应明显减小,而其主跨跨中竖向位移反应明显增大。由此得出结论:对于大跨度斜拉桥,一致地震激励不能控制其抗震设计,应考虑行波激励和随机地震动场多点激励对其地震响应的影响。

大跨度斜拉桥多维多点随机地震激励响应分析

为研究大跨度斜拉桥地震激励下的平稳随机响应规律,以某大跨度斜拉桥为例,用ANSYS软件建立了三维有限元分析模型.考虑地震动的多维性、行波效应、部分相干效应及局部场地效应对主梁及主塔位移和内力随机响应的影响,用该模型分析了大跨度斜拉桥在多维多点地震激励下的响应.研究结果表明:相对于一致激励,大跨度斜拉桥在多维多点激励下的结构响应显著增大,主梁的纵向位移增大了约2.3倍,1号塔顶的纵向位移和塔底横向弯矩分别增大了约2.2和2.3倍;仅考虑一致地震激励不能保证大跨度斜拉桥的结构安全;考虑行波效应时斜拉桥的地震响应减小,相干效应较小可忽略,软场地条件下结构的地震响应更大.

行波效应对大跨度空间结构随机地震响应的影响

深入研究了行波效应对大跨度空间结构随机地震响应的影响,进一步完善了大跨度空间结构随机地震响应分析理论。推导了双支座、单自由度体系地震响应功率谱密度函数的解析表达式,研究了不同频率体系的响应峰值随地面视波速的变化规律,分析了多支撑点、多自由度体系的地震响应功率谱矩阵的特点,发现多自由度体系地震响应随地面视波速的变化规律与单自由度体系相似。数值模拟了某体育馆网壳结构在不同地面视波速情况下的随机地震响应,结果表明,考虑地震动行波效应后,结构地震响应随地面视波速的变化而显著变化,当视波速较低时其变化规律很复杂;且支撑点附近、受拟静力位移影响较大的部分杆件的地震响应明显增大,远离支撑点处、受拟静力位移影响较小的部分杆件的地震响应稍有减小。由此得出结论,对于大跨度空间结构的随机地震响应分析,必须考虑地震动的行波效应,尤其当受拟静力位移影响较大的部分杆件对结构抗震设计起控制作用时;且应对可能出现的地面视波速进行全面分析,作为结构抗震设计依据。

随机地震动场多点激励下大跨度桥梁地震反应分析方法

地震输入问题一直是工程结构抗震研究关注的焦点。对大跨度桥梁结构,考虑随机地震动场的多点激励而进行地震反应分析较为合理。本文结合大跨度桥梁抗震设计,系统地介绍了随机地震动场的模型以及随机地震动场多点激励下大跨度桥梁地震反应分析的方法。

多点地震激励对大跨度结构抗震设计的影响

以上海浦东机场(二期)候机楼为例,讨论了大跨结构多点激励效应对结构抗震设计值的影响。文中首先进行了结构静力荷载作用下的反应分析,并与上海浦东机场(二期)候机楼在一致激励下的地震反应相组合,得到一致地震作用下结构抗震设计值;然后根据工程场地二维地震动场反应分析结果,进行了上海浦东机场多点输入下的地震反应分析,将其与静力反应组合得到多点地震激励下结构抗震设计值。考察在一致输入和多点输入下得出的抗震设计值之间的差异,分析了不同的地震激励方式对控制结构抗震设计值以及结构动力位移和加速度值的影响。研究结果表明:多点地震输入对浦东机场二期工程候机楼的抗震设计影响较大,特别是对承力柱的影响最大,可以使一些柱的控制截面内力的抗震设计值比一致地震输入时的数值增大10～50%,同时使另外一些柱的控制截面内力的抗震设计值减小40%左右。因此,为合理地进行这类结构的抗震设计,在结构抗震分析中考虑地震动的多点输入的影响是非常必要的。

大跨度空间网格结构多维多点随机地震反应分析

本文建立了三维正交地震动多点激励下大跨度空间网格结构的随机地震反应分析方法,依据现行抗震设计规范的有关规定,确定了平稳随机地震动功率谱密度的模型参数。数值仿真分析了一柱距80m的正方形平板网架分别在一维地震动或三维地震动的一致激励、行波激励和考虑部分相干效应的随机激励下的地震反应。结果表明:考虑地震动的空间效应会很大程度地改变结构杆件的内力,其中控制杆件的内力增幅达到30%;地震动的行波效应对结构杆件内力的影响比随机地震动的部分相干效应的影响更大;三维地震作用比一维地震作用下结构杆件的内力大。由此得出结论,对于大跨度空间网格结构,必须进行多维多点地震激励下的随机地震反应分析。

多点激励下结构随机地震反应分析的反应谱方法

基于随机振动理论,提出了多点激励作用下线性系统随机地震反应分析的均值反应谱方法,给出了结构峰值反应的均值、标准差以及反应平均频率的反应谱组合公式。这可以将反应谱方法推广应用到多点激励结构的抗震可靠度分析中。鉴于组合公式中谱参数和相关系数需要由烦琐的数值积分得到,本文进一步针对它们给出合理的简化计算式,从而使得建议的反应谱方法的计算效率大大增加。最后,以一个双塔斜拉桥为例,对本文方法进行了验证。基于建议方法的计算结果与MonteCarlo模拟结果吻合较好。与经典的多点激励反应谱方法(MSRS法)比较,本文方法具有其无法比拟的计算效率。

人字桥梁多维地震作用下振动台试验研究

按1/20的几何比例制作一典型人字曲线桥梁模型,进行了多维振动台试验,并针对试验模型建立数值分析模型,研究人字曲线桥梁在多维地震作用下的地震响应特点。结果表明,竖向地震分量对桥墩顶纵桥向加速度、主梁分支处两桥墩横桥向相对位移和墩底纵桥向弯矩基本无影响,结构响应与输入地震波的频谱特性和结构形式有关;单向激励下,墩顶纵桥向加速度、分支处桥墩横桥向相对位移和墩底纵桥向弯矩响应都为最大;双向和三向激励都使墩顶纵桥向加速度响应降低,且降低幅度随着墩与直梁正向角度的增加而增加;主梁与分支直梁应设置的初始间隙应大于主梁与分支曲梁。

多点输入下大跨结构反应谱分析方法研究进展

在大跨度结构的抗震研究领域,多点输入反应谱方法因其形式简洁、物理意义明确、应用方便等优点而获得了广泛重视和迅速发展,并已在一些重大工程项目的抗震分析中得到了应用。本文首先详细阐述了近年来国内外多点输入反应谱分析方法的研究现状;然后介绍了多点输入反应谱法的应用情况,包括基于该方法进行的大跨度结构地震反应分析和抗震可靠度分析;最后,提出了今后研究中一些需要进一步解决的问题。

随机地震动场多点激励下大跨度连续刚构桥的地震反应分析

本文基于随机地震动场的功率谱模型和多点地震激励,建立了大跨度桥梁在随机地震动场多点激励的地震反应分析方法,并数值模拟了某四跨预应力混凝土连续刚构桥的地震反应,考虑了行波效应、部分相干效应和局部场地效应等因素的影响,并与确定性地震一致激励下的计算结果进行了比较,对工程建设具有参考意义。

论同源随机激励及其响应的特点

本文从一般情形出发，为同源随机激励提出一个含义较广的定义。同源随机激励的特点是其功率谱矩阵可表示为一个列阵与其共轭行阵的乘积。在同源激励作用下，常多数线性系统的响应仍保持激励的上述特点，充分利用这一特点可以节约计算工作量。文中还借助模态分析给出了在同源平稳随机激励下响应功率谱矩阵的解析式，以及在同源演变随机激励下非平稳响应的演变谱表示式。

多点输入下场地非线性地震反应分析计算模型

为考虑强震下土层反应的非线性及地震波的空间变化特性 ,基于直接迭代法和逐步积分法提出多点输入非线性分析的一种增量迭代格式 ,从而建立土层多点输入地震反应非线性分析方法 .同时 ,为降低多点输入非线性分析迭代过程中刚度矩阵的求逆次数 ,对原迭代方法作进一步推导 ,提出采用试管因子的试算迭代法 ,在不降低计算精度的基础上 ,有效地减少计算时间 .编制了可进行一致输入、多点输入的非线性和等价线性化分析的有限元程序 .计算结果表明 。

大跨斜拉桥多点激励随机地震响应研究

虚拟激励法可以高效地计算结构随机响应,但目前并没有整合到既有有限元软件中,阻碍了其推广应用,在很多情况下尚需针对具体模型进行编程计算。将该方法整合到既有的有限元软件中,对虚拟激励法的推广使用具有重要意义。大跨柔性结构的初始平衡对其动力响应具有重要影响。在既有研究的基础上,基于Abaqus/Python平台实现了大跨柔性结构需考虑初始平衡态影响的多点激励随机响应计算流程。以目前跨度最大的双层公路斜拉桥——上海闵浦大桥为例,研究大跨斜拉桥多点激励随机地震响应的特点,并分析了视波速对随机地震响应的影响。

单层球面网壳在多维地震作用下的随机响应分析

采用课题组推导的多维虚拟激励理论方法及自编计算机程序 ,对常用 K6型单层球面网壳多维地震反应规律进行了系统研究。论文首先对功率谱计算时的参数取法进行了讨论 ,然后对单层球面网壳进行了大量多维与单维响应对比分析 ,考虑了矢跨比、荷载、跨度等主要结构参数影响 ,给出了主肋、环杆、斜杆在不同参数下多维与单维地震反应对比规律及数值范围。分析结果表明 ,网壳大量主要受力杆件三维地震内力远远大于单维地震内力 ,得出在网壳抗震设计中必须要进行三维地震作用分析的结论。

大跨门式钢管桁架结构多点输入地震响应分析

地震动空间效应导致结构不同支座处的地震激励不一致,大跨结构应进行多点输入地震响应分析.本文对一大跨门式钢管桁架结构进行多点输入时程分析计算,考察该类型结构分别受水平和竖向地震多点输入行波效应作用下的弹性响应特征.计算结果表明,多点输入地震动激发门式结构的水平对称振型和竖向反对称振型,是导致结构多点输入地震响应与一致输入产生差别的重要原因;地震波波速对结果影响较大,为保证结果的可靠性,应取有效范围内的多个视波速进行计算;上部结构和下部结构相比,刚度小的部位结构响应受多点输入影响大;水平多点输入桁架梁中部构件、竖向多点输入桁架梁端部构件内力变化极大.

随机地震多点激励作用下对称结构的扭转效应

结合GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》选取与规范各类场地条件相适应的Clough-Penzien地震动随机模型功率谱的谱参数,从多点输入地震角度研究了不同场地、不同设计地震分组情况下单层对称空间刚架结构的动力响应,结果表明:多点非一致地震激励下,即使严格意义上的对称结构也会产生明显的扭转效应,扭转效应大小可采用一致激励下使结构产生同样扭矩的等效偏心率来衡量,且等效偏心率随结构体系的自振周期、平扭周期比、场地条件等因素变化而改变;对于多高层对称结构,多点非一致激励扭转效应的影响主要集中在结构底层附近,这种作用方式类似圣维南局部性原理.

地震动非平稳性对大跨度空间结构随机地震响应的影响

为了进一步完善大跨度空间结构的随机地震响应分析理论,提出了一种简便的、近似计算非平稳地震激励下结构峰值响应均值的算法,数值模拟了某体育馆大型网壳结构在平稳和非平稳地震激励下的随机地震响应.研究表明,考虑地震动的非平稳性后,各杆件的峰值响应会有不同程度的减小,约7.51%～23.3%;同时考虑行波效应和地震动非平稳性时,在地震激励的初期阶段,结构响应方差会发生变化,但不会给结构的峰值响应均值带来明显差异;不同地面视波速时,峰值响应均值的减小程度不同.由此得出,所提出的近似算法能够大幅度地减少大跨度空间结构随机地震响应分析的计算量;对于大跨度空间结构的随机地震响应分析,尤其当结构的阻尼比和自振频率很低时应考虑地震动的非平稳性;在分析地震动非平稳性的影响时,应同时考虑地震动的行波效应.