地震和风耦合作用下超高层连体结构易损性分析

为探究超高层连体结构在多灾害耦合作用下的设计与安全性能,以苏州超塔为例,开展地震和风耦合作用下的多灾害易损性分析.根据设计资料建立结构有限元模型,分别开展结构在地震作用下以及地震和风耦合作用下的易损性分析,探究结构在多灾害耦合作用下的响应规律.结果表明,地震和风耦合作用下结构联合易损性随着地震动和风荷载强度的增大而增加,且地震动对结构的破坏占主导作用.地震与风耦合作用时结构达到中等破坏、严重破坏和倒塌破坏的概率均比仅地震作用时有所增加.当风速达到40 m/s时,结构在罕遇地震下达到3种破坏状态的概率分别为99.77%、91.56%和46.54%,相比于仅罕遇地震作用下分别提高了1.11%、10.73%和14.65%,相比于一般高层连体结构在同样的灾害耦合作用下分别提高了0.27%、6.26%和14.34%.

考虑混凝土徐变收缩的超高层偏心核心筒-框架结构水平变形和结构内力分析

核心筒偏置的框架-核心筒结构在平面上不对称,可能在水平方向产生较大的不利变形。采用混凝土徐变收缩B3模型,在ETABS中对某偏心核心筒-框架结构进行施工分析,计算了结构在不同时期的水平变形,并分析了水平变形对结构内力的影响。计算中考虑了钢管混凝土柱中钢管的环箍效应,以及钢管与混凝土的应力重分布、施工工序等因素。计算结果表明,偏心核心筒-框架结构的水平变形沿结构高度呈“中间大、两头小”分布。研究结果显示徐变和收缩引起的水平变形随时间明显增加,部分幅值在后期大于弹性变形;合理规划施工顺序可有效降低结构构件内力。通过与实测数据的对比,验证了所用模型的准确性。

木结构无损检测技术研究与应用综述

木结构无损检测技术对于我国古木建筑预防性保护和现代木结构的智能运维有着重要作用。以检测方法的基本原理为分类标准,介绍了各种无损检测方法的原理和在木结构检测中的适用范围、应用情况、研究现状和现存问题,涉及的检测方法包括常用的目视法、应力波法、微钻阻抗法和前沿探索性方法,如计算机视觉法、压电传感法、电磁波法等,最后探讨了木结构无损检测的发展趋势。

基于三维点云的工程结构平面分割及表面检测

为了实现对工程结构各平面更加全面、快速、准确的数字化检测,本文提出了一种基于三维点云的工程结构平面自动分割及表面检测方法。首先,通过无人机重建满足工程检测精度要求的高精度三维点云模型;其次,融合体素降采样方法、随机采样一致性(RANSAC)方法和基于密度的聚类算法(DBSCAN),快速、精准、自动地分割工程结构的特征平面,避免手动分割过程中存在的结果不确定及计算效率低的问题;第三,通过设计的精细分割算法有效剔除特征平面周围的噪点,准确提取结构特征平面点云,计算分析特征平面点云,数字化描述结构的表面形状;最后,通过一个在建地铁车站深基坑工程实例,系统地验证了该方法的有效性和准确性。研究结果表明:设计的三维点云平面自动分割算法能够实现工程结构各个平面快速准确的自动分割,自动分割与手动分割结果的交并比接近90%;针对工程结构平面的表面检测算法能够实现结构表面形状的准确测量,有效映射结构物理表面的状态。

大型压剪试验机结构设计

大型压剪试验机是建筑抗震领域重要的试验设备,主要用于足尺试件检测。以某一压剪试验机的性能和功能要求为目标,详细研究并设计了一50MN大型压剪试验机的主体结构和主要结构构件,该试验机由竖向加载系统、水平向剪切加载系统两部分组成。设计过程中对于出现的局部结构问题进行了研究,并提出了针对性的解决方法。利用有限元分析软件Abaqus对试验机主体结构和主要结构构件进行建模和加载分析,得到了试验机强度和刚度等整体结构性能满足要求的安全可靠结果。该试验机具有出力大、量程大、稳定性和安全性好等优点,可主要用于原比例试件的压剪试验和相关特殊试验。

土-综合体结构相互作用体系地震反应影响因素研究

为探究土-综合体结构相互作用体系地震反应的影响因素,以典型综合体结构为工程背景,利用ABAQUS软件建立土-综合体结构相互作用体系三维有限元模型,采用等效线性化方法考虑土体非线性;选用1995年阪神地震Port Island波,通过反演获取相互作用体系的底部输入地震动。在此基础上,对土-综合体结构相互作用体系进行了地震反应分析,探讨了土-综合体结构接触面模拟、竖向地震波作用效应以及土-结构柔度比对综合体结构地震反应的影响。分析结果表明:土-综合体结构采用接触面模拟方法较共用节点法使得地下结构中柱轴力、剪力、弯矩均有一定程度减小,侧墙轴力、剪力、弯矩则有所增大;考虑竖向地震动作用使得地下结构中柱和侧墙的内力有所增大,其中中柱轴力增幅约达20%;在本文算例中,当土-结构柔度比小于12时,土-综合体结构相互作用效应明显。

既有框架结构隔震改造后体系稳定性与动力响应分析

针对隔震改造后叠层橡胶隔震支座与地下室下支柱组成的串联隔震体系的地震稳定性问题,采用理论推导与数值模拟方法开展系统研究。将叠层橡胶支座简化为一种具有水平刚度和抗弯刚度的特殊铰支座,RC柱简化为弯曲型竖杆,建立橡胶支座和RC柱串联隔震体系的理论模型,推导地下室下支柱的临界承载力方程;通过实际案例求解出该串联隔震体系的临界承载力具体表达式,并对典型参数的影响进行分析;采用数值模拟方法建立下支柱截面尺寸不同的6种柱顶隔震模型,对下支柱柱顶、隔震支座、下支柱与隔震支座串联后整体位移响应以及上部结构层间位移角响应进行对比分析。结果表明:所推导的临界承载力表达式变化规律与柱顶隔震设计模型数值模拟相一致;下支柱截面增大对上部结构和隔震支座的动力响应影响并不明显,但是可以明显减小下支柱的位移;在既有建筑隔震改造实际工程中,增加下支柱的截面尺寸是保证下部结构的抗震能力高于上部结构既简单且行之有效的方法,但实际工程中截面增量普遍较大且偏于保守,造成了一定的浪费。

基于Bullet物理引擎的钢筋混凝土框架结构倒塌模拟

地震作用下结构物的倒塌不但会使结构内部的财产遭受损失,而且会使周边道路产生堵塞,影响后续救援人员的进入,甚至危害生命,对社会造成巨大损失。提出了一基于Bullet物理引擎的结构倒塌模拟方法,通过非线性弹簧连接梁、柱、板等刚体单元,用弹簧的破坏来判断相应构件的破坏,从而进行结构的倒塌模拟。并对该方法进行构件上和结构上的验证,最后以一栋八层框架结构为例进行倒塌模拟。结果表明,该方法较为有效,八层混凝土框架结构在地震作用下倒塌后的废墟虽然大部分分布在原结构的周边,但是距离原结构最远可达到20.42 m,会导致相邻建筑的倒塌和周边道路的堵塞,影响后续救援。

考虑SSI效应的框架-摇摆墙结构响应数值计算研究

采用理论模型计算了考虑土-结构相互作用(SSI)效应的框架-摇摆墙结构的地震响应。所提出的模型可以在结构初步设计完成后,进行结构响应及参数设定的分析验证。根据所提出的理论模型,对固定地基的框架结构(RF)、考虑SSI效应的框架结构(SF)、固定地基的框架-摇摆墙结构(RW)以及考虑SSI效应的框架-摇摆墙结构(SW)四种模型进行了时域分析,并考虑了5种不同的土性。结果表明,SSI效应会增大框架-摇摆墙结构的响应,框架-摇摆墙结构对土体条件变化的敏感度比框架结构更高。因此,在框架-摇摆墙结构的抗震设计中,需要考虑SSI效应。如果不能准确地确定地基特性,可能会导致对响应的错误评估。

X形软钢阻尼器延性断裂的试验研究与数值模拟

为了研究X形软钢阻尼器在大变形状态下的耗能性能和损伤演化规律,设计了6组试件进行单向和循环荷载作用下延性断裂的试验研究,分析了软钢阻尼器的破坏过程和滞回曲线。采用Lemaitre-Chaboche混合强化模型,分别对各工况下包含与不包含基于应力三轴度的钢材微观损伤模型的软钢阻尼器进行了精细的有限元模拟。对比有限元模拟结果和试验结果,分析结果表明,颈部为X形耗能软钢阻尼器的薄弱位置,最容易发生集中损伤甚至破坏。考虑钢材损伤准则的有限元模拟的荷载-位移曲线与试验结果更加吻合,能够表征软钢阻尼器的承载力与刚度退化现象,并能较为准确地预测软钢阻尼器的损伤演化过程和断裂破坏位置。

颗粒阻尼器对输电塔线系统减震性能研究

对输电塔线系统进行缩尺模型振动台实验,从时域和频域的角度,对比了调谐质量阻尼器和颗粒阻尼器对输电塔的减震效果。利用ABAQUS建立了颗粒阻尼器控制输电塔线系统的离散元-有限元高精度耦合数值模型,对比了实验和模拟结果,并对塔线系统的耗能情况及颗粒阻尼器内部颗粒运动碰撞情况进行分析。研究结果表明:在地震激励下,颗粒阻尼器的减震效果较调谐质量阻尼器有更好的鲁棒性;该文所建立的颗粒阻尼器控制输电塔线系统模型能够良好地反映试件的动力特性和地震响应;在颗粒阻尼器的控制下,塔线系统总能量降低24.12%。当颗粒之间的碰撞次数和颗粒与容器的碰撞次数满足一定比例关系时,颗粒阻尼器能实现更优的控制效果。

考虑实测信息的既有规则建筑状态识别与抗震性能快速评估

城市既有建筑(群)的地震安全性评价面临高效分析、快速评估、定量判定的多重技术发展需求。考虑长期服役过程中的结构性能演化现象,既有建筑安全性评价需要结构本身和当地地震动等一系列实测数据与信息,以标定结构真实服役状态,保证结构抗震性能评估结果的准确性,并兼顾结构抗震性能分析的时效性。本文基于等效非线性单自由度模型,结合作者近年来在数据驱动型状态评估指标方面的研究成果,提出了以既有建筑实测模态频率和阻尼比映射结构宏观服役状态,结合当地实测地震动数据集,快速评估该目标建筑抗震安全性的方法。阐述了基于动力测试和HAZUS技术手册的既有结构等效非线性单自由度模型的建立过程,提出了两类结构状态评价指标,结合多元工程性能参数,建立了等效模型变形状态与不同抗震性能水准之间的直接联系。以四川省珙县当地一栋高层规则框架结构和2019至2022年间10次实测地震动为例,对该建筑在当地近期实际地震动作用下的抗震安全性进行评估。

基于静力试验的柱端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架地震响应数值分析

柱端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架(CR-RCFC)是一种新型的可恢复功能结构,通过摇摆节点的构造来“弱化”结构整体抗侧刚度,从而达到减小地震响应的目的。CR-RCFC结构在振动台试验中呈现了在中震和大震作用下“主体构件免损伤,耗能构件易更换”的韧性抗震效果。振动台试验后进行低周反复静载试验得到拆除阻尼器后的CR-RCFC结构柱铰节点弯矩-转角滞回曲线和转动刚度等抗震性能参数。利用静力试验得到的结构抗震性能参数进行结构地震响应数值模拟,将数值模拟结果与振动台试验结果进行对比分析。对比分析结果表明:通过静力试验数据可以精确得到CR-RCFC结构节点抗震性能参数,根据该抗震性能参数进行的数值模拟结果与振动台试验结果吻合较好。

桩-土-结构相互作用对高层建筑风振舒适度的影响

推导了脉动风荷载作用下考虑桩-土-结构相互作用时高层建筑顺风向风振加速度响应的计算公式,通过算例说明桩-土-结构相互作用对结构顺风向风振加速度响应有明显的影响。一般而言,各参数变化对加速度响应的影响的幅度不同,在土中阻尼较小时,考虑相互作用后,结构的加速度响应要比不考虑桩-土-结构相互作用时大,即考虑了桩-土-结构相互作用后有可能增加结构风振时的不舒适度。因此,在高层建筑的风振舒适度设计中应当特别考虑到桩-土-结构相互作用的影响。

地震和风耦合作用下上海中心大厦结构易损性研究

随着城市人口的增加,越来越多的超高层建筑在中国各大城市涌现,在其全寿命周期内不可避免的会遭受风甚至地震等多灾害的作用。以上海中心大厦为分析模型,根据其场地条件,采用Benowitez在2015年提出的1种基于随机波的模型方法模拟不同高度处具有空间相关性的脉动风荷载时程。通过对Perform 3D有限元软件建立的上海中心大厦模型进行非线性动力时程分析,研究地震和风耦合作用下对于结构性能的影响,并基于多灾害需求生成结构在地震和风耦合作用下的易损性曲面来研究结构的抗振可靠度。结果表明:结构的响应和易损性随着风速和PGA的增大而显著增大;随着风速的增大结构的响应和易损性均有增大的趋势,但随着地震动的增大,风荷载对结构响应和易损性影响逐步减小。

利用惯容隔震系统的结构层间隔震研究

层间隔震技术对于结构竖向不规则以及结构增层等状况有良好的适用性。然而,层间隔震可能出现的较大隔震层变形会带来结构设计的困难。通过在隔震层中设置阻尼元件可以减少变形,但是过大的阻尼出力和过多的数量需求可能导致空间布置和安装不便。惯容元件为解决以上问题提供了一种新的途径。该研究提出采用惯容隔震系统作为层间隔震提高能量耗散效率的手段以控制地震响应,同时也给出了基于性能需求的惯容层间隔震的参数优化设计方法。并以一个标准钢结构模型验证了方法的有效性。结果表明:惯容元件的使用显著降低了上部子结构的地震响应和隔震层的变形,惯容系统实现了预期的耗能增效作用。

桩-土-结构相互作用对高层建筑顺风向风振响应的影响

推导了高层建筑在脉动风荷载作用下考虑桩-土-结构相互作用时其顺风向风振响应的计算公式,通过算例说明桩-土-结构相互作用对结构顺风向风振响应有明显的影响。一般而言,在结构的风振响应分析中,考虑相互作用并不总是安全的,在土中阻尼较小时,考虑相互作用后,结构弹性位移有可能会大于刚性地基的弹性位移,而结构总响应的幅值总是大于刚性基础时响应的幅值,结构越是高柔,该现象越为明显,考虑了桩-土-结构相互作用后有可能增加结构风振时的不舒适度。因此,在高层建筑的风振响应分析中应当综合考虑桩-土-结构相互作用的影响。

基于静力试验的梁端铰型受控摇摆钢筋 混凝土框架地震响应数值分析

梁端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架结构(CR-RCFB)是一种新型可恢复功能结构。首先介绍了CR-RCFB结构的振动台试验,试验后结构主体构件没有损坏,仅可更换的耗能装置失效;其次对CR-RCFB结构进行低周反复加载试验,得到节点的弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线和转动刚度,并将实测力学参数提供给数值分析模型;采用ABAQUS软件建立了CR-RCFB无控结构与有控结构的有限元数值计算模型,对上述模型进行地震动时程分析,得到了结构动力特性和不同地震作用下的加速度响应和位移响应,并与振动台试验结果进行对比分析。研究结果表明,将静力试验得到的实测参数输入计算模型得到的数值模拟结果与振动台试验结果吻合良好。

应用ATC-40能力谱法评估结构目标位移

基于性能的抗震设计思想已得到国际上的普遍认可,其发展的一种趋势是建立简单的非线性方法确定结构非线性行为。非线性静力方法作为计算结构非线性行为的一种方法在工程界已得到普遍应用,其中ATC-40使用的能力谱法及改进的能力谱法是简化的非线性静力分析的主要方法。本文通过实例详细介绍并对比研究了这两种方法,发现ATC-40能力谱法低估了结构变形,改进的能力谱法(用非弹性设计谱建立需求谱)提供了相对较为准确的值。

梁端弹簧型自复位钢筋混凝土框架基于性能的抗震设计方法

梁端弹簧型自复位框架(self-centering frame, SCF)结构作为一种新型抗震结构体系,通过梁柱节点铰接构造来使整体结构抗侧刚度弱化,并在梁端设置钢板弹簧来给节点设定确定的转动刚度,从而达到地震作用下结构减震和震后结构自复位的目标。在已有理论和试验研究的基础上,对梁端弹簧型自复位框架的抗震设计方法进行了研究,并给出了此类结构的抗震性能水准以及结构的抗震设计流程。结合一幢三层自复位耗能框架结构的设计实例,进行基于性能的结构抗震设计,通过有限元模拟对该结构的动力响应与常规框架进行比较分析。结果表明:梁端弹簧型自复位耗能框架结构具有较小的加速度响应和层剪力响应,以及良好的变形性能。研究结果表明,梁端弹簧型自复位框架结构具有优越的抗震性能。