近场地震动下偏心结构的减震控制研究

本文选用远场宽频地震Kanai-Tajimi模型与近场地震He-Agrawal速度脉冲模型,对现有的典型近场地震记录进行了非线性数值拟合。通过调整脉冲分量与宽频分量的比值,得到了不同脉冲分量的地震波,分析了在合成近场地震波作用下,设置粘滞阻尼器时偏心结构的动力反应,并与未设置阻尼器时结构的地震响应进行了对比,同时也对能反映结构偏心特性的参数进行了分析研究。通过数值模拟与仿真分析,得到了一些对实际工程设计有意义的结论。

基于能量平衡的既有建筑结构抗震加固性能化设计方法研究

由于规范标准对结构抗震设计要求的不断提高以及结构在长期服役过程中性能的逐渐劣化,既有建筑结构的抗震性能不再满足设计要求,开展其抗震加固设计研究势在必行。然而,目前的加固设计方法往往需要大量的非线性动力计算反复迭代,增加了设计的难度,降低了其适用性。基于能量平衡概念,提出适用于增设消能减震装置的既有建筑结构抗震加固性能化设计方法。该方法考虑了多地震水准性能目标,设计过程中无需开展非线性动力计算,且迭代次数少。采用所提方法对Benchmark钢框架结构进行加固设计,通过非线性动力分析评估了加固前和加固后结构的抗震性能。研究结果表明:加固后,所有楼层的位移角均明显降低,小震、中震和大震时的平均降幅约为20%,可见加固后结构抗震性能得到了显著改善;加固结构在小震、中震和大震下的层间位移角均与设计值吻合,实现了预期的层间位移角和屋顶位移角目标,验证了所提方法的有效性;所提方法设计的阻尼器在小震时整体保持弹性状态,在中震和大震时进入屈服耗能状态,实现了预期的耗能机制,且阻尼器延性需求沿楼层的分布较为均匀,进一步表明了设计方法的合理性。研究成果可为既有建筑结构的抗震性能加固设计提供参考。

高层框架剪力墙隔震结构剪力墙合理刚度研究

针对高层框架剪力墙隔震体系,基于隔震层上部框架剪力墙协同工作原理,建立了高层框架剪力墙基础隔震结构在倒梯形荷载作用下的简化模型,推导了倒梯形荷载作用下结构的最大层间弹性位移角表达式。采用弯剪型三质点模型,进一步推导了三质点模型的质量矩阵和柔度矩阵,利用振型分解反应谱法,根据底部剪力相等原理,得到了以层间位移角为限值约束条件下的剪力墙合理刚度表达式。提出了高层框架剪力墙隔震体系的剪力墙合理刚度交互设计方案。最后以一栋12层的框架剪力墙隔震结构为数值算例,按照剪力墙合理刚度的理论推导和交互设计方案,进行剪力墙合理刚度的计算和设计,通过数据分析验证了本文提出的算法和设计方案是可行的,可以为结构设计提供参考。

地震作用下全浮漂大跨斜拉桥耗能减震控制研究

以某实际全浮漂大跨斜拉桥为研究应用对象,探讨了全浮漂大跨斜拉桥阻尼器的布置原则,考虑桩-土的相互作用,建立了全桥空间有限元分析模型,针对该非比例阻尼体系,通过基于应变能理论的振型阻尼分别考虑上部结构阻尼、下部结构阻尼和阻尼器阻尼,从而实现结构不同部分不同阻尼引入到有限元分析模型。然后进行了黏滞阻尼器参数优化,得到了最优阻尼系数和最优阻尼速度指数,并进行减震效果分析。研究结果表明:采用黏滞阻尼器可有效控制结构的地震响应,主塔顶位移、主梁位移和主塔底弯矩分别减小为普通全浮漂体系的60.4%、56.7%、71.8%;随着阻尼系数增加和阻尼速度指数的减小,梁端位移、塔顶位移和阻尼器位移减小,主塔墩底弯矩单调减少,当阻尼系数增加和阻尼速度指数的减小到一定值时主塔墩底弯矩控制效果基本稳定。

负刚度非线性能量阱减震控制性能研究

提出设置含负刚度特性的非线性能量阱(NES)来实现结构地震响应控制,针对典型的单层和双层层模型,在附加质量占主质量5%的限定条件下,对采用负刚度NES、立方NES和经典质量调谐阻尼器(TMD)控制方式的装置参数进行数值寻优,对优化的减震控制性能进行对比分析。结果表明,负刚度NES减震控制性能全面优于已有的立方NES,对主结构动力特性变化的鲁棒性优于TMD,对地震动峰值变化的鲁棒性与TMD相当。应用数值小波变换对体系的地震响应时程进行功率谱分析,揭示了在地震作用过程中,负刚度NES总体上对主结构产生更为显著、更为持续的瞬时内共振俘获行为,因而其减震效率较高,且由于这种瞬时内共振俘获是在多频域上同时展开的,使其减震控制性能具有强鲁棒性。

结构主动控制的一体化多目标优化研究

基于Pareto多目标遗传算法提出了结构主动控制系统的一体化多目标优化设计方法,对作动器位置与主动控制器进行同步优化设计。外界激励采用平稳过滤白噪声来模拟,在状态空间下通过求解Lyapunov方程,得到结构响应和主动控制力的均方值。主动控制器采用LQG控制算法来进行设计。以结构位移和加速度均方值最大值与相应无控响应均方值的最大值之比,以及所需控制力均方值之和作为多目标同步优化的目标函数。优化过程还考虑了结构与激励参数对优化结果的影响。最后以某6层平面框架有限元模型为例进行了计算机仿真分析,结果表明所提出的主动控制系统多目标一体化优化方法简单,高效,实用,具有较好的普适性。

基于状态观测器的结构振动预测控制

针对结构振动控制时滞问题及反馈控制对结构全状态的需求,提出了一种基于状态观测器的序列最优预测模态控制算法.根据反馈的结构响应,通过状态观测器观测估计结构的全状态,通过序列最优预测模态控制算法计算实时控制力,将反馈的结构响应和计算的控制力作为输入,考虑控制系统的时滞,设计径向基神经网络(RBFNN),形成基于状态观测器的序列最优预测模态控制器.对一带分布参数实际隔震的330 kV电压互感器进行地震响应控制,仿真结果表明,基于状态观测器的序列最优预测模态控制算法,在无时滞的情况下与基于状态观测器的序列最优模态控制算法控制效果相当,在有时滞的情况下能有效克服时滞对最优预测控制算法的影响,控制效果良好.

主被动调谐控制结构动力响应分析与试验

针对地震和风振下结构的振动控制,提出了结构主被动复合调谐控制的策略,以及采用直线电机驱动主动质量阻尼器(active mass damper,简称AMD)、中空橡胶隔震支座作为调谐质量阻尼器(tune mass damper,简称TMD)弹性单元、滑轨作为TMD支撑轨道的主被动复合调谐控制装置实现方法,进行了主被动复合调谐控制对结构动力响应控制的效果及减震机理分析,探讨了反馈响应向量对控制效果、AMD控制力和AMD位移的影响,完成了线性二次高斯算法(linear quadratic Gaussian,简称LQG)控制算法和H2/H∞控制算法时的主被动复合调谐控制结构振动台试验。研究结果表明:结构主被动复合调谐控制能有效减小结构的动力响应,改善TMD的性能;采用直线电机驱动的AMD作为主动控制装置,为防止AMD"飘移",AMD位移应作为目标向量和反馈响应;LQG控制算法总体控制效果优于H2/H∞控制算法。试验验证了提出的主被动复合调谐控制硬件系统方案的可行性,为工程应用提供了支撑。

RC减震结构中震设计简化分析研究

为探究中震设计与现行小震设计在性能指标上的差异,首先分析了整体中震设计与小震设计在概念上的区别,对比了这两种理念下结构构件的内力放大情况,进而从宏观上把握不同设计方法对结构整体和构件层面的影响;其次基于加速度设计反应谱和位移设计反应谱推导了中震作用下单自由度简化体系总等效阻尼的表达式,理论分析了中震等效阻尼与结构层间位移、设防烈度、结构周期及“周期比”的关系,并进行了简单的证明;给出不同设防烈度下该简化体系的中震总等效阻尼比和刚度的速查表格,便于快速评估多层规则结构的中震阻尼和刚度需求;最后结合黏滞阻尼器(1-FVD)、摩擦阻尼器(2-FD)和软钢阻尼器(3-MYD)三个算例对本文提出的中震阻尼和刚度需求评估方法予以展示总结。结果表明,现行小震设计或可满足中震设计的性能要求,其中一、二级一般框架结构的柱构件基本满足中震不屈,一级底层柱满足中震弹性,一级剪力墙构件加强区剪力满足中震不屈;值得注意的是,对低设防烈度、长周期结构,中震附加阻尼比会出现负值和局部震荡现象;通过同时调整附加阻尼和结构刚度进行中震设计的策略相对合理可行;项目前期评估时可通过插值速查表格的方法初步确定附加阻尼比,进而指导减震方案。中震设计的理论分析和工程应用尚显不足,“强柱弱梁”“强剪弱弯”等基本设计原则的满足性问题有待进一步研究。

新型防屈曲耗能支撑的设计、试验及其减震性能研究

设计制作了一种新型全钢、装配式的防屈曲耗能支撑(BRB),给出了主要的理论计算公式,采用有限元方法对其工作过程和机理进行数值模拟并进行了足尺实验研究,最后,将这种装置安装到框架结构,基于非线性动力时程分析评估其减震性能。研究结果表明了简化计算和有限元分析在产品初步设计中的有效性;防屈曲耗能支撑明显减小了结构动力响应,提高了结构的抗震安全性。

层间组合隔震结构随机动力可靠度分析

为了限制隔震层在大震作用下的层间位移,基于在隔震层增设黏滞阻尼器的层间组合隔震体系,分别采用刚度非退化和退化的Bouc-Wen模型模拟隔震层及其他楼层的恢复力特性,建立了层间组合隔震结构在大震作用下的运动方程,运用虚拟激励法对该体系进行随机响应分析,得到了隔震层及其他各层层间响应峰值的统计量。以隔震层和其他各层的最大层间位移作为控制指标,建立极限状态方程,采用当量正态化法(JC法),基于串联模式计算了体系的动力可靠度。通过数值分析,比较了层间组合隔震、层间隔震与非隔震结构的总体失效概率。最后通过改变黏滞阻尼器的速度指数和黏滞阻尼系数,系统地研究了黏滞阻尼器参数对层间组合隔震结构动力可靠度的影响。结果表明:层间组合隔震结构的总体失效概率比层间隔震结构和非隔震结构都要低。当黏滞阻尼系数不变时,速度指数越小,结构的总体失效概率越低;当速度指数不变时,随着黏滞阻尼系数的增加,结构的总体失效概率呈现出先减小后增大的趋势,结构的主要失效模式也逐渐由隔震层过渡为上部结构。

柱式柔性墩隔震梁桥结构地震易损性分析

对柱式柔性桥墩刚度较小下部构件结构形式的中小跨径桥梁,利用铅芯橡胶支座双线性恢复力特性,通过调节桥梁下部结构整体刚度,改变地震力在不同墩柱间的分配可提升桥梁整体抗震能力。定义桥梁损伤的5种状态,归纳出以曲率延性判定5种损伤水平的量化指标,并与桥墩墩顶位移相关联。选典型桥梁建立有限元模型进行动力弹塑性分析,将隔震改造前后桥梁墩顶位移概率需求与地震易损性进行对比。分析表明,采用柔性桥墩的梁桥结构进行合理隔震改造后,只要保证隔震支座体系正常运行,桥梁整体在大震作用下的抗震水平可明显提升。

高层剪力墙结构动力模型建立及地震响应

用连续—离散化方法建立地震作用下高层剪力墙结构动力模型,通过分布参数建立剪力墙运动方程,楼层集中质量的影响通过边界条件引入,从而推导出高层剪力墙结构频率方程,然后通过数值方法求得频率及振型。通过应用Betti定律,推导出具有集中分布参数高层剪力墙结构的振型正交条件。建立每层剪力墙与楼层集中质量地震作用下的运动方程,通过引入推导的振型正交条件,进行运动方程的解耦,从而得到广义质量及广义荷载,然后通过振型叠加的方法求得结构的地震响应。通过Simulink对一幢16层剪力墙结构进行动力特性及地震作用下的仿真分析。结果表明:应用本文建立的动力模型及动力响应求解方法进行高层剪力墙结构动力特性与动力响应分析的结果与有限元分析结果基本一致,在不同连梁刚度、不同剪力墙高宽比情况下,本文动力模型及动力响应求解方法计算结构动力特性及地震响应的误差较小,满足应用的要求。

核电站安全的地震威胁及对策分析

核能是一种清洁高效的无碳能源,在人类文明进程及世界现代化发展中具有重要意义,但也存在核泄漏和核废料等问题。对世界核能利用情况及各国核电站建设与规划情况进行了回顾与展望,总结了历史上历次核电站事故发生的根本原因,着重探讨了地震对核电站的威胁。以2011年日本大地震造成的福岛核电站事故为例,分析了核电站事故对社会、经济及生态环境造成的影响,同时还提出了一些建议:对已建核电站进行抗震加固和延寿评估,做好未来核电站建设规划,改善管理机制,做好地震预警及核电站安全监测,优化应急处置机制,深化核能概率安全分析,普及群众安全教育,定期开展灾难演习,强化国际合作等举措,为人类在探索正确使用核能的进程中少受核能副作用的伤害而发挥重要作用。

地震作用下框架-剪力墙结构动力响应研究

针对框架-剪力墙结构中框架与剪力墙相互作用下的地震响应求解问题,建立了高层框架-剪力墙结构的动力分析模型。框架结构部分对剪力墙结构部分的影响通过边界条件的引入,推导出框架-剪力墙结构的频率方程及振型正交条件,进一步对无限自由度框架-剪力墙结构的振动方程进行解耦,推导出框架-剪力墙结构的广义质量及广义荷载,然后通过振型叠加的方法求解结构的地震响应。最后,对一栋10层框架-剪力墙结构进行动力特性及地震响应仿真分析。仿真结果显示,建立的动力模型及地震响应求解的结果与有限元分析结果基本一致,其计算精度满足要求,可以减小计算的工作量。

随机结构地震激励下的可靠度Gauss-legendre积分法

在Vanmarcke修正首次超越破坏理论基础上,提出了利用Gauss-legendre积分公式与Gauss-legendre积分的点估计求解随机结构在随机地震激励下的动力可靠度方法。仿真分析结果表明,两种方法求得的可靠度均值与变异系数均随结构参数变异系数增大而收敛。尽管Gauss-legendre积分法具有很高的计算精度,但维数超过3维时其计算效率降低明显;而Gauss-legendre积分的点估计法则可明星改进高维系统的计算效率,同时还具有计算精度高的优点。计算结果表明:Gauss-legendre积分法适合于多变量实际工程结构的可靠度分析。

梁桥结构地震反应分析中输入地震动选取及调整方法研究

针对桥梁结构地震动分析时所输入地震动选择会影响时程分析结果的可靠性,结合结构动力放大系数基本原理及地震波能量原理,通过分析反应谱型特点,将其拟合归纳为以结构自振周期±30%范围及规范规定的0.1s-Tg范围分别定义为低频、高频对比区间,以两个区间反应谱曲线包围面积作为对比参数进行自然地震波选择依据。并据所选地震波提出基于两区间的5种天然地震波调整方法。以典型多跨梁桥为例进行数值分析,以桥墩墩底弯矩、剪力和及墩顶位移作为桥梁地震反应统计量。利用统计分析结果验证双参数地震波选择方法及地震波调整方法的合理性及有效性。

近断层地震动作用下桥梁结构的组合隔震分析

为改善近断层地震动作用下隔震桥梁结构的抗震性能,基于Benchmark结构振动控制问题,研究附加黏滞阻尼器、磁流变(MR)阻尼器的组合隔震策略。非线性动力分析过程中,优化了黏滞阻尼器的阻尼系数和速度指数,并设计了分散模糊控制器来确定施加给磁流变阻尼器的电压。研究结果表明:采用黏滞阻尼器和磁流变阻尼器可提高隔震桥梁结构在近断层地震动作用下的安全性,结构绝大多数响应,尤其是隔震支座的变形得到明显减小;与采用黏滞阻尼器进行组合隔震相比,采用磁流变阻尼器的智能模糊控制方案出力相对较小、控制效果更好,同时,即使在外部电源供给中断的情况下,磁流变阻尼器仍然能发挥一定的作用,具有失效-安全的优点。

隔震结构直接设计法研究

提出了隔震结构的直接设计法,介绍了隔震层等效阻尼比和隔震支座等效刚度的迭代方法,并与现行规范中隔震结构所采用的分部设计法进行了系统的对比分析,比较了内力、位移,并统计了钢筋用量。研究结果表明:直接设计法与分部设计法相比,两者总体用钢量相差不大,但在构件层面,具体用钢量与构件种类以及构件平面位置有关,此外,不同高度处同一位置也会存在一定规律性的差异;内力和位移相差不大,因此能够满足安全性和经济性的要求,将过去两阶段的分部设计变为直接设计,一步到位,可方便隔震设计的推广应用。

核电站结构隔震研究

建立了核电站CPR1000堆型反应堆厂房的混合分析模型,上部结构采用集中质点—梁单元,下部筏基采用三维实体单元模拟。完成了对典型核电站结构的基础隔震设计,隔震层设置在筏板基础底面,采用铅芯橡胶支座,支座长期面压控制在5 MPa;比较了隔震前后反应堆厂房的动力特性;基于时程分析法,研究了隔震效果,建立了结构内部设备楼层的楼层反应谱;对隔震前后结构水平向和竖向的楼层反应谱进行了对比分析。结果表明,对于核电站结构采用混合分析模型兼有较高的计算效率和精度;隔震后可明显降低结构的地震反应和楼层反应谱,大大提高结构的抗震安全性。