耐震时程法在大跨连续刚构桥纵向抗震性能评估中的应用

采用简化方法对大跨连续刚构桥的抗震性能进行高效和准确的评估,在该类桥梁的设计和加固改造时是非常必要的。耐震时程法作为一种评估桥梁抗震性能的简化方法,只需要一次时程分析就可以实现桥梁从完好到倒塌的全过程分析。为研究耐震时程法在评估大跨连续刚构桥纵向抗震性能的适用性与精确性,本文以一座大跨波形钢腹板连续刚构桥为研究对象,基于中国公路桥梁抗震设计规范设计反应谱,生成3条耐震加速度时程曲线作为地震输入,同时选择16条天然地震动进行增量动力分析,对比研究了该连续刚构桥地震响应特征。研究结果表明:耐震时程分析结果处于增量动力分析结果的包络线之内,耐震时程法中位值与增量动力分析结果的均值曲线吻合较好,因此,耐震时程分析方法可以作为大跨连续刚构桥抗震性能评估的一种高效率方法。

车致振动响应递归量化分析在桥梁结构损伤识别中的应用

基于移动车辆引起的桥梁结构动力响应,采用递归量化分析的方法对结构进行损伤识别。用固定宽度的滑动窗将桥梁结构上任意两个位置的响应信号分成若干小段,并对每一小段信号进行递归量化分析,进而提取特征构造损伤指标。损伤向量随着滑动窗的移动得到每一个相对位置的损伤指标,最终实现结构的损伤识别。通过数值模拟验证上述方法,并讨论了单损伤工况和多损伤工况,分析了损伤位置、损伤程度、车辆速度、噪声水平等因素的影响。最后制作实验室模型对递归量化分析的结构损伤识别方法进行了试验验证。数值模拟和试验结果表明,基于递归量化分析的损伤识别方法可以有效识别移动车辆作用下的桥梁结构损伤。

石墨烯基材料在土木工程中的应用研究

石墨烯因具有更好的抗拉强度和杨氏模量而广泛应用于增强各种复合材料的性能。为进一步推动我国绿色节能环保政策的实施,提高土木工程结构的性能,文章基于石墨烯碳单质分子结构的基本特点,对石墨烯不同的制备方法进行总结,并对功能梯度材料的有限元模拟方法进行介绍,最后结合土木工程行业的现状对其在该领域的应用进行综述和前景展望,以期实现土木工程行业绿色低碳循环可持续发展提供参考借鉴。

悬吊结构体系优化设计及减震性能研究

对悬吊摆隔震系统组成的悬吊结构体系进行研究,建立了该体系的两自由度分析模型。根据拉格朗日方程建立了系统的运动方程,并给出了地震作用下上下部子结构位移响应均方值理论表达式。通过引入性能指数,综合考虑上下部子结构位移响应,定义了悬吊结构体系性能目标函数。以性能目标函数最小为优化目标,推导了悬吊结构体系最优设计参数理论解,并通过不同性能指数下体系参数分析验证了理论解的正确性。最后,以某两层剪切型框架结构作为工程算例,对结构体系的减震性能进行数值分析。结果表明:最优参数均随性能指数的增大而增大,最优阻尼比与质量比呈正相关关系,最优频率比与质量比呈负相关关系;增大性能指数,上部子结构位移响应峰值减震率增大,而下部子结构位移响应峰值减震率减小;只要性能指数取值合理,悬吊隔震体系能同时有效控制上部子结构与下部子结构地震位移响应;性能指数为1时,结构体系上下部子结构位移响应峰值减震率分别可达67.45%和25.16%以上。

P波入射下考虑基槽回填材料的沉管隧道抗震分析

沉管隧道基槽回填是沉管隧道施工中的重要工序,而其对沉管隧道的抗震减震性能影响规律在现有研究中鲜有提及。为探究沉管隧道柔性接头在不同回填材料刚度下的位移量,基于多质点-弹簧-梁模型,结合纵向反应位移法,运用考虑纵向限位装置的柔性接头轴向受力分析模型,以广州市如意坊沉管隧道为背景,开展P波入射下的纵向动力响应分析数值试验。计算结果表明:数值模型与计算方法能够得到合理的场地与结构响应;采用纵向反应位移法进行计算分析时应提取自由场中隧道截面对应位置处的多点位移时程作为结构的激励;未经处理的淤泥质软黏土不能作为基槽回填材料,将砂土或砾石作为基槽回填材料时,若增大其密实度,其抗震能力可获得进一步提高。该研究结果可为沉管隧道在地震作用下的响应分析与抗震设计提供更为可靠完善的计算模型与设计依据。

利用惯容黏滞阻尼器的高层连体结构消能减震设计

高层连体结构采用集中布置消能减震装置的消能减震方案存在耗能能力需求高、响应分布不均匀等问题。利用惯容黏滞阻尼器(VID)放大耗能能力的优势,提出基于VID的消能减震方案,以及考虑结构整体减震效果的消能减震设计方法。结合质点系模型和随机振动理论评价连体结构的地震响应,通过在连体结构连廊处集中布置VID控制结构响应,定义连体结构整体减震指标评价结构响应的控制效果。将设计方法应用于实际结构,分析表明,通过在连廊处集中布置VID,能合理有效地降低结构响应、改善响应分布;VID的控制效果受连廊位置的影响,本研究在几种连廊及VID的布置方案中比选出最优方案。

新型非对称惯容NES减震控制性能研究

为提高控制装置的减震性能及减小附加阻尼器的质量,基于非对称非线性能量阱(nonlinear energy sink,NES)提出一种附加惯容器的新型控制装置——非对称惯容NES。根据非对称惯容NES系统的工作原理推导出运动方程;在脉冲型荷载作用下进行控制参数数值优化,分析非对称惯容NES的能量鲁棒性和频率鲁棒性。分析地震作用下结构与控制装置响应,研究主体结构刚度变化前后的控制性能。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,从能量的角度研究控制装置的减振机理。研究结果表明,非对称惯容NES具有极强的能量鲁棒性和频率鲁棒性,在地震作用过程中能有效减小顶层加速度峰值且所需行程更小,能在更广频域内与主体结构发生共振,因而其减震效率更高。非对称惯容NES减震控制性能与已有的非对称NES相当甚至更优,并能够减小40%阻尼器质量,在实际应用中具有更广阔的前景。

某百米级高层隔震结构风致效应研究

现行规范采用静力设计的方法可能对高层隔震结构的风致效应考虑不足,为此深入研究了高层隔震结构抗风设计与风致效应,结合现行规范提出高层隔震结构风致效应分析框架,并针对中国某百米级实际工程隔震结构展开风致效应的分析与评估。结果表明:现行规范采用等效静力的计算方式低估了高层隔震结构实际所受的脉动风作用,通过风荷载时程分析发现,隔震层X、Y向的水平剪力相比风荷载标准值作用分别增加了23.8%和27.7%,但从设计的角度出发,现行规范取1.4的分项系数能满足隔震层抗风稳定性的要求;在10年一遇风荷载作用下,高层隔震结构顶部存在舒适度的问题,最大风振加速度达到16.2 cm·m^(-2),超出规范限值8%;在1年一遇风荷载作用下,高层隔震结构顶部的最大风振加速度达到7.6 cm·m^(-2),其居住舒适性更难以满足,高层隔震结构的舒适度问题在今后的抗风设计中应予以重视;提出的分析框架能较系统和全面地反映高层隔震结构风致效应,可为现行规范提供理论参考依据。

中信城市广场三期B地块办公楼超高层结构设计关键问题分析

中信城市广场三期B地块办公楼主塔采用密柱框架-核心筒+环带桁架混合结构体系,分析了楼板和外框柱剪力传递及斜柱引起水平力对整体结构的影响、环带桁架加强层的传力机理、抽柱转换节点和分叉柱节点受力。当楼板刚度分别取100%弹性刚度、50%弹性刚度、25%弹性刚度和刚性楼板时,分别验证了结构小震弹性、中震不屈服、大震不屈服的扭转承载力,对于此外框柱螺旋布置形式,应增强结构的抗扭转承载力;分叉斜柱的倾斜角度控制在10°范围以内较合适且采用型钢混凝土节点设计。

中信城市广场三期B地块办公楼超高层结构设计

中信城市广场三期B地块办公楼主塔采用密柱框架-核心筒+环带桁架混合结构体系,针对此密柱网混合结构体系的结构特点和性能目标要求进行了抗震性能化设计并分类归纳总结,提出一系列结构加强措施。通过增设适宜刚度的环带桁架加强层从而增强外框架刚度;加强层楼板采用钢梁+钢水平撑+钢筋桁架楼承板以可靠传递加强层外框架与核心筒间的剪力;分叉斜柱角度控制在10°范围以内,采用型钢混凝土节点设计;通过设置钢框梁连接墙肢内嵌型钢暗柱形成整体墙内约束型钢边框可以进一步有效地提高底部和加强层核心筒的延性与增强组合结构整体承载能力。分析结果表明:通过各项措施后结构满足设计要求,整体性能安全可靠。

连体结构单侧层间耗能体系随机地震响应及优化研究

为改善强连体结构的控制效果,提出单侧塔楼设置耗能层的新型连体结构控制体系。研究了耗能层控制参数及设置位置对各塔楼和结构总平均振动能的影响规律,并对耗能层参数进行了优化分析;基于随机地震响应的量化指标,对比了不同优化准则及不同控制方案下该控制体系的减震效果。结果表明,低位设置耗能层有助于地震能量的耗散,且能够显著降低结构地震响应;左、右塔楼的减震效果存在一定差异,不能同时达到各自的最优控制状态;当以总平均振动能最小为优化准则,耗能层设置于低楼层的控制方案,可以提供更有效的减震效果。

新型电磁式涡流阻尼器力学性能研究

为了改善涡流阻尼器在实际工程中的应用性,利用了外部电源改变装置内部磁通量大小,提出了一种新型主动控制式电磁涡流阻尼器(Electromagnetic Eddy Current Damper,简称EECD)。首先考虑磁回路有效利用磁通量及转动装置放大导体板切割磁感应线的优点,进行阻尼器的结构设计,并对其工作原理进行详细地介绍。然后,利用电磁仿真软件(COMSOL Multiphysics)分析其在不同电流大小的情况下所产生的磁通量大小,并推导出相应磁感应强度理论公式,分析相同匝数,不同电流下的工况,结合实测数据,对比仿真、理论与试验的磁感应强度,验证理论的准确度。最后,推导出该阻尼器在电流稳定时等效阻尼系数,进而得出其电涡流阻尼力。研究结果表明:在研究速度范围内,EECD能达到设计目的,等效阻尼系数、惯质及电涡流阻尼力理论结果与试验结果基本吻合,且EECD阻尼性能接近线性;在研究速度范围内,随着电流的变化,电磁铁产生的磁通量大小及阻尼力也成正比变化;该装置滞回性能相对光滑,重复性较好,说明新型电磁式阻尼器力学性能稳定,具有可行性。

形状记忆合金摩擦摆层间隔震结构抗震性能研究

为了提升层间隔震结构的抗震性能,提出形状记忆合金摩擦摆(shape memory alloy friction pendulumn bearing,SMAFP),并基于形状记忆合金旗帜形滞回特性给出形状记忆合金摩擦摆及其层间隔震结构参数优化方法。以形状记忆合金和传统摩擦摆支座的理论模型为基础推导得到形状记忆合金摩擦摆模型的理论模型,并通过OpenSees平台建立形状记忆合金摩擦摆数值模型,通过与试验结果对比验证数值模型可靠性。在此基础上,以某大底盘单塔层间隔震结构为研究对象,以所提出的SMAFP层间隔震结构参数优化方法对形状记忆合金摩擦摆中形状记忆合金装置的屈服力进行优化,并基于最优屈服力进一步研究该参数优化方法的有效性及形状记忆合金摩擦摆层间隔震结构的抗震性能。结果表明:基于韧性性能的参数优化方法可有效得到形状记忆合金摩擦摆的最优参数;采用最优参数的形状记忆合金摩擦摆层间隔震结构复位性能显著提升,可有效减小支座峰值位移、支座残余位移,同时可有效控制结构柱底剪力、顶层绝对加速度、层间位移增量;支座峰值位移减幅达11.4%,支座残余位移减幅达48.5%,结构柱底峰值剪力、顶层峰值绝对加速度增幅均控制在10.0%以内。

随机激励下带滞变阻尼的调谐质量阻尼器减振性能研究

近年来,阻尼力与位移呈线性关系的新型调谐质量阻尼器(Tuned mass damper, TMD)相继出现,其参数分析优化原理大部分属于动力数值分析缺乏理论参数优化指导。该文对白噪声作用下具有上述特性的TMD,即滞变阻尼调谐质量阻尼器(Hysteretic damping tuned mass damper, HD-TMD)进行减振优化研究。总结了HD-TMD的力学机理并推导出相应的结构-HD-TMD系统运动方程;提出适用于HD-TMD的H_(2)优化和性能平衡设计,并通过数值拟合技术得到了最优参数公式和基于容忍度的性能平衡设计流程;以真实可用的变摩擦摆式调谐质量阻尼器(VFP-TMD)为HD-TMD的实际算例,检验所提出的优化方法对风振激励的减振性能影响。结果表明:H_(2)优化和性能平衡设计下的HD-TMD可以提供略优于传统黏滞阻尼TMD的控制效果。H_(2)优化的最优参数能使HD-TMD发挥最大的潜能从而实现最好的减振率,但面临VFP-TMD行程过大导致的摆动非线性问题。性能平衡设计下的最优参数可以控制VFP-TMD行程在线性范围内,同时发挥出良好且稳定的减振控制效果实现双赢。与最优参数公式结果相比,性能平衡设计的峰值减振率和均方差峰值减振率仅损失3.19%和0.74%。

考虑铅芯橡胶隔震支座力学性能退化的基础隔震结构地震作用研究

针对铅芯橡胶隔震支座在长周期长持时地震作用下由于铅芯温度上升发生力学性能退化的问题,通过压剪设备对铅芯橡胶隔震支座进行了快速水平往复力学性能试验,研究其在快速往复加载下水平剪切力学性能的变化。试验结果表明,铅芯橡胶隔震支座在快速往复荷载作用下,随着加载次数的增多,其特征强度显著下降,且前期下降的幅度比后期大,屈服后刚度在加载过程中变化较为平缓。然后基于试验结果,采用改良的广义Bouc-Wen模型,提出了铅芯橡胶隔震支座在快速水平荷载下力学性能退化的力学模型,然后基于铅芯橡胶隔震支座性能退化的力学模型,对一实际隔震结构进行仿真,研究该结构在长周期长持时地震作用下的动力响应。仿真结果表明考虑支座退化效应得到的隔震层位移和层间位移角不仅比不考虑支座退化效应得到的大,且最大值已超出设计允许范围,因此在基础隔震设计时建议要考虑铅芯橡胶隔震支座在长周期长持时地震作用下力学性能退化情况。

基于复振型分解反应谱方法的消能减震结构水平地震作用计算

减震结构具有非比例阻尼特性的特点,采用强迫解耦法对其进行振型分解计算时忽略阻尼矩阵非对角元素可能会造成计算精度较低。本文提出了减震结构的复振型分解反应谱方法(CCQC),给出了复振型地震作用的惯性表达公式。基于某消能减震结构工程算例,在三组地震动作用下对比分析了采用复振型分解反应谱方法和实振型分解反应谱法(CQC)结构的层间剪力和层位移响应结果,并使用直接积分法对其进行对比验证。结果表明:消能减震结构反应谱方法中基于复振型地震作用的分析结果相对于时程分析的精度显著高于不考虑非比例阻尼影响的实振型分解方法。

考虑不同曲率下盾构隧道纵向地震响应分析

过江盾构隧道选线过程中因避让不良地质段,或地形上满足两端进洞及展线要求而常产生局部弯曲,如苏州市海太过江盾构隧道。而隧道曲率对其动力响应影响规律在现有研究中鲜有提及,为探究在动力条件下不同曲率的盾构隧道纵向方向管环的轴力、张开量等变化规律,运用纵向反应位移法思想,基于长大隧道非一致激励动力分析方法,建立多质点-梁-弹簧模型,开展多工况地震动输入下的不同曲率盾构隧道纵向动力响应分析。结果表明:数值模型与计算方法能够得到合理的隧道结构动力响应;盾构隧道动力响应随隧道曲率增加而增加;不同曲率盾构隧道在进入土层交界区段其轴力和张开量出现显著的差异。该研究结果可为盾构隧道选线论证及动力响应分析提供更为可靠完善的计算模型与设计依据。

江苏宿迁220kV变电站隔震设计方法研究

为解决变电站抗侧刚度较小,大型设备会放大地震作用的问题,对宿迁220kV变电站结构分别采用分部设计和一体化设计两种方法进行隔震设计,对支座参数确定原则、地震波选取规则、楼层响应以及非比例阻尼影响规律进行了研究分析。结果表明,应采用实际地震作用下迭代得到的支座参数,以迭代得到的隔震层阻尼比作为结构阻尼比选取地震波更合理,一体化设计方法可以在实现中震弹性目标要求的同时将构件进行优化,提高结构经济性,变电站隔震结构非比例阻尼特性较强,且对其楼层响应结果影响较大,实际隔震设计中不可忽略非比例阻尼影响,高烈度地区的变电站更宜采用一体化设计方法。

动水压下减震连续梁桥随机优化及减震性能研究

地震作用下,跨海桥梁桥墩和周围水体的动力相互作用将对桥梁结构的动力响应产生较大影响。建立了考虑动水压力的2自由度连续梁桥简化分析模型,推导了其组合刚度和附加质量;提出了以墩顶位移方差最小为目标的黏滞阻尼器参数随机优化的Lyapunov方法。在此基础上,通过对设置黏滞阻尼器的某跨海连续梁桥简化模型进行了阻尼器参数优化,研究了动水压力和地震耦合作用下连续梁桥的减震性能。研究结果表明:动水压力增大了桥梁的地震反应,对桥梁的动力响应特性有较大影响。采用黏滞阻尼器可有效减小跨海连续梁桥的地震反应,改善桥梁结构抗震安全性能。

超高墩大跨铁路连续钢桁梁桥粘滞阻尼消能减震研究

针对某超高墩大跨铁路连续钢桁梁桥,建立了考虑桩-土动力相互作用、超高墩几何非线性P-Δ效应的全桥空间有限元模型,考虑了由于粘滞阻尼的非比例阻尼影响,并通过应变能理论将结构不同部位的振型阻尼引入到分析模型中。基于确定的粘滞阻尼器布置方案,研究了阻尼指数和阻尼系数对结构减震的影响规律,采用参数敏感性分析方法对阻尼器参数进行优化,并分析了其减震性能。研究表明:对于文中分析的桥梁,采用速度指数为0.4的粘滞阻尼器可达到最优的减震效果,能够有效降低各墩水平地震作用,并使高度相近的1、4号墩,以及2、3号墩墩底弯矩和墩顶位移趋于均匀;由于固定墩墩底纵向剪力峰值和非减震模型接近,该类型桥的减震控制应以墩底弯矩和墩顶位移为控制目标;对比基于比例阻尼和非比例阻尼分析模型的地震反应,发现考虑非比例阻尼后超高墩大跨桥梁墩底弯矩和墩顶位移均有所增大,且固定墩墩底弯矩增大更显著,建议进行超高墩大跨粘滞阻尼减震桥梁抗震分析时应考虑非比例阻尼。