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。

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。

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。

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。

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。

近场下桥梁结构的地震响应分析

提出采用宽频地震Kanai-Tajimi模型与速度脉冲He-Agrawal模型来模拟近场地震动,数值模拟验证了该近场地震模型的有效性。采用该模型定量分析了近场地震作用对桥梁结构地震响应的影响规律。近场地震动的脉冲持时是对结构产生破坏的一个重要因素,近场地震作用对桥梁结构的设计提出了更高的延性要求。

汶川县威州镇砖混结构房屋抗震加固设计

针对在5.12汶川大地震中,汶川县城所在地-威州镇遭受中等破坏的砖混结构房屋,通过某工程实例,给出了该类房屋具体的加固设计和施工方法,加固前绝大数楼层的综合抗震能力指数小于1,加固后所有楼层的综合抗震能力指数大于1。最后提出了一些建议,为类似工程提供一些参考。

地震作用下高层隔震结构高宽比限值计算

针对高层隔震结构体系,采用多质点体系,基于隔震结构在地震中不出现倾覆的条件,结构边缘隔震支座拉应力不超过1 MPa,压应力不超过30 MPa,推导了高层隔震结构的高宽比限值,并考虑了不同的设防烈度、场地条件和结构阻尼比的影响。分析高宽比限值与结构基本周期的关系,得知了结构的基本周期变化对高宽比限值的影响。以三跨高层基础隔震结构为例,计算了隔震支座最大位移为300 mm和400 mm时隔震结构的高宽比限值,分析结果为设计高层隔震结构时对高宽比的取值提供参考。

地震作用下高层框架-剪力墙隔震结构动力响应参数分析

针对一个10层框架-剪力墙基础隔震结构体系,考虑框架与剪力墙之间的相互作用,通过改变隔震层刚度及框架与剪力墙的刚度比,分析隔震层对地震波的滤波作用,以及考虑上部结构累积变形与隔震层大位移P-Δ效应,对高层框架-剪力墙结构的整体力学响应进行研究.结果表明:随着隔震层刚度的增加,传递到上部结构底部的加速度频谱幅值逐渐增大.随着框架与剪力墙刚度比增大,层间剪力的分布趋于均匀.上部结构累计变形产生的附加弯矩略大于隔震层本身P-Δ效应产生的附加弯矩.

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。

非对称双塔连体结构柔性连接体系参数研究

基于非对称双塔连体结构柔性连接体系的3自由度(3-DOF)力学模型,利用虚拟激励法分析了连接构件的频率比、阻尼比和质量比等参数对该复杂结构体系地震反应的影响。根据不同的控制目标,得到了非对称双塔连体结构柔性连接体系支座优化设计参数变化规律和连接参数的优化组合,可用来指导此类结构的减震初步设计。最后以某实际工程为算例进行数值分析,验证了优化理论的正确性。

基于概率密度演化的基础隔震结构随机响应分析

针对抗震结构和基础隔震结构,应用概率密度演化方法对其进行多遇地震作用下的线性随机响应分析。通过引入工程地震动物理随机函数模型,采用数论选点法对多维外荷载随机变量进行离散代表点的生成并求得其赋得概率,利用离散代表点合成地震动加速度时程样本作为输入结构的随机激励,对于每条地震波,相当于对结构进行确定性动力反应分析。在求得结构响应及其相关导数后,应用TVD差分格式求解广义概率密度演化方程即可得到所求响应的时变概率密度及其演化。结果表明:基础隔震结构在随机地震作用下相比抗震结构具有良好的减震性能,隔震层的设置能够减小结构位移响应的标准差,减少了结构响应的离散型;概率密度演化方法不仅能够给出结构响应的二阶统计矩,还能全面地反映结构响应的时变概率信息,位移响应的概率密度函数分布不服从正态分布或其他常用分布,且随着时间演化。

地震作用下考虑P-Δ效应的柱顶隔震结构的动力响应

针对首层悬臂柱无拉梁柱顶隔震结构和有拉梁柱顶隔震结构,在相同设防烈度下对其进行三维有限元时程分析,研究了悬臂柱截面尺寸的改变对这两种不同结构在考虑P-Δ效应和不考虑P-Δ效应情况下动力响应的影响,并比较二阶效应对结构的影响。结果表明:是否考虑P-Δ效应和有无拉梁对上部结构和隔震层的动力响应影响并不明显,而对悬臂柱的地震响应的影响较大;考虑P-Δ效应时,悬臂柱的层间位移角比不考虑P-Δ效应时有明显的增加,且P-Δ效应对结构的影响会随着悬臂柱截面尺寸的增大而减小;拉梁的设置能明显减小悬臂柱的层间位移角并降低P-Δ效应的影响。

基于模拟退火算法的高层结构粘滞阻尼器优化布置

提出基于模拟退火算法的高层结构阻尼器优化布置方法。对模拟退火进度表中的初始温度、退火参数进行对比分析,给出了解决高层结构阻尼器优化布置问题的一个较好的寻优参数组合。此模拟退火算法增加记忆功能并设置阈值使得在尽量保持最优性的前提下减少计算量,通过此组参数的模拟退火对20层框架结构的粘滞阻尼器布置方案进行优化,数值算例证明了算法的有效性。

桩-土-基础隔震结构在不同场地类别中的动力响应分析

大多数隔震设计都是将地基假设为完全刚性而进行计算的,但土与地基对上部结构的相互作用(PSSI效应)是实际存在的。本文通过ETABS结构分析软件,建立考虑PSSI效应对基础隔震结构影响的三维模型,进行桩-土-基础隔震结构在不同场地类别中的有限元时程分析,研究不同场地类别中考虑PSSI效应对基础隔震结构动力响应的影响规律。结果表明:虽然天然地基可视为天然的隔震层,但主要影响结构自振周期和频率变化的是地基土对地震动的放大作用;地震波的频谱特性影响结构体系动力响应,可能放大或减小结构体系的动力响应;考虑PSSI效应的结构体系层间位移比不考虑PSSI效应的要大,容易超出规范规定的限值,因此,考虑PSSI效应是很有必要的。

隔震结构的柔性限位防护研究

针对基础隔震体系在遭受强地震时隔震支座的失效问题,提出一种新的柔性防护限位装置,以此控制隔震支座的水平位移在安全范围内,从而达到保护隔震支座的目的。首先建立控制装置的ABAQUS实体有限元分析模型,研究控制装置的力学性能,获得控制装置的非线性力学模型,然后以一栋4层基础隔震体系仿真算例,分析地震作用下的抗震结构、基础隔震结构和设置限位装置的基础隔震结构的响应。仿真结果表明:柔性限位装置能够控制隔震支座的水平位移在安全范围内,从而确保结构的安全,同时同抗震结构相比,它的动力响应小于抗震结构;同隔震结构相比它的动力响应略大于隔震结构但对上部结构的影响不大。

基于最优二级阻尼的TMD设计以及控制效果分析

调谐质量阻尼器(TMD)作为一种被动控制装置,常设置在高耸结构中来控制结构的风振响应。同时,该控制装置安装在实际结构上时存在空间位置有限、TMD行程受限的问题。针对以上问题提出TMD控制装置设置二级阻尼的优化方法。利用Den Hartog公式优化TMD一级阻尼参数;运用遗传算法优化TMD二级阻尼参数。然后,采用频域分析方法对脉动风作用下的高耸结构-TMD体系作随机风振响应分析。结果表明:提出的最优二级阻尼优化设计方法能够使主结构风振响应得到较好的控制,同时能很好的限制TMD的行程。

预制模块化建筑结构研究及发展理念

随着人们生态意识的提高和建筑技术的成熟,低碳节能、且适应能力极强的模块化建筑被越来越多的建筑师所关注。本文对模块化设计理念进行了讨论,阐述了预制模块化建筑结构在应用研究中的设计特点,包括空间组合设计、可持续、模数化设计等,结合现代市场需求简要提出模块化技术的推进难点,并介绍了其在实际工程中的应用。

基于新型简易隔震支座的村镇建筑隔震性能研究

提出一种新型简易隔震支座——工程塑料板橡胶隔震支座,该支座采用不饱和聚酯纤维加强复合材料板替代普通橡胶支座中的钢板,具有重量轻、造价低、便于运输与施工、适合于低矮村镇建筑等优点。对该支座进行了系统的压缩特性、水平剪切特性、压应力相关性、剪应变相关性、竖向极限特性等力学性能试验。根据试验结果给出了该隔震支座的界限性能曲线,在此基础上提出了该支座的合理设计区域。将该新型简易隔震支座应用于某农村3层砌体抗震示范楼,对该隔震体系建立了精细化有限元模型并进行了动力时程有限元分析,完成了该实际工程的隔震设计和隔震支座布置。针对低矮村镇建筑,提出了一整套采用这种简易隔震支座的连接构造措施与施工工艺。这种经济有效、简单易行的隔震技术可望在不发达村镇地区普及推广,具有重要的现实意义与应用前景。