功能可恢复RCS混合框架结构研究进展

钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)混合框架结构以其结合了混凝土优异的抗压性能及钢材优异的抗弯性能而受到广泛关注,而可恢复功能结构以其震后快速恢复使用功能的能力,也成为地震工程界研究的新热点。功能可恢复RCS混合框架结构可以在弯矩较大的梁端和柱脚部位设置可更换构件,实现结构的功能可恢复能力。文中简述了近年来功能可恢复RCS混合框架结构研究进展,重点关注各类型功能可恢复钢梁、功能可恢复摇摆柱脚的构造研究,介绍了功能可恢复RCS混合框架结构性能分析研究进展。最后,对功能可恢复RCS混合框架结构仍需深入研究的问题进行了展望。

功能可恢复强脊框架结构抗震性能研究

基于强脊机制、损伤控制和可更换等理念,提出新型震后功能可快速恢复强脊框架结构体系。为考察功能可恢复强脊框架结构抗震性能及震后可恢复性能,运用Sap2000软件对5个结构模型进行推覆分析,重点研究强脊框架结构的损伤机制、损伤演化、变形特征、抗震性能和震后可恢复性能等。提出不同水平地震作用下结构残余变形两阶段计算分析方法,以此评估结构震后的可恢复性能。计算结果表明,强脊系统可有效控制结构侧向变形,结构的层间位移角和损伤分布均匀,有效避免薄弱层破坏机制的形成,提升结构的抗震性能和抗倒塌性能。强脊系统能有效调动整体结构部件的能力储备,使结构具有更好的整体性。设置强脊系统的框架结构刚度、承载力、耗能能力等均得到明显提升,推覆曲线未出现承载力软化行为。经合理分级损伤设计,在强脊框架中设置可更换耗能件在地震中起到第一道防线作用,有效减小主体结构损伤和残余变形,显著提升结构的震后可恢复性能。

加强层对框架-核心筒结构的经济性和碳排放量影响分析

为考察加强层的形式、数量和位置对超高层框架-核心筒结构的影响,在设防烈度为8度的条件下,建立1个建筑高度为210 m的办公楼基础模型,分别加入不同数量和位置的环带桁架加强层和伸臂-环带桁架加强层.对比分析各模型构件的主要控制指标、结构受力性能,结构经济性和碳排放.结果表明:模型的经济性随加强层数量的增加和楼面售价的提高而增大,碳排放量随加强层数量的增加而减少;伸臂-环带桁架加强层在增大经济性和减少碳排放方面的效果均比环带桁架加强层好.

喷涂聚氨酯弹性体加固砌体墙抗震性能试验研究

为提高村镇砖砌体墙结构抗震性能,采用喷涂聚氨酯技术对其进行加固。设计并制作了一片未加固砌体墙与两片加固后砌体墙,进行水平低周往复加载试验,主要研究加固形式(单面喷涂及双面喷涂)对砌体墙破坏形态、滞回特性、骨架曲线、变形性能、耗能能力和刚度退化等的影响。试验结果表明:喷涂聚氨酯弹性体可有效限制墙体开裂并延缓刚度退化,显著提高墙体的变形性能及耗能能力,而对墙体承载力及刚度影响有限。相较于单面喷涂加固,双面喷涂加固可更有效限制裂缝发展,维持墙体整体性,进一步提高墙体滞回性能、变形能力及耗能能力。

索支撑柔性摩天轮结构抗倒塌性能分析

研究了稳定索以某种模式失效时摩天轮结构的动力响应,考察是否会引起其他稳定索的连续失效,导致结构丧失侧向刚度而倒塌。通过动力分析得出,结构侧向位移和索力变化周期与该摩天轮结构的第一阶自振周期T1相近,且稳定索失效后0.5 T1时,索回弹动力效应对摩天轮结构的影响最显著;稳定索在失效模式FM3-1(单侧3根稳定索失效)下,索回弹动力效应对摩天轮结构影响最大,且一侧稳定索最大索力达到64%的破断力,另一侧稳定索几乎处于松弛状态;在任一稳定索失效模式下,都不会造成其他稳定索的破断继而发生连续性破坏,此类大型柔性摩天轮结构具有抗倒塌性能。

框架填充墙平面外抗震性能数值模拟

为研究不同程度平面内(IP)损伤,以及加载制度对框架填充墙平面外(OOP)抗震性能的影响,采用ABAQUS软件对分离式框架填充墙模型进行分析。模拟结果表明:框架填充墙平面内损伤程度是影响平面外承载力与刚度的重要因素,平面外承载力与刚度随着平面内损伤程度增大而降低;以1/200位移角为幅值进行低周往复加载后维持平面内位移,框架填充墙平面外承载力有一定提高,但维持平面内位移对于延缓平面外刚度退化影响不显著;框架填充墙平面内受损程度增加后,达到平面外峰值荷载时墙体面外变形程度增大,以1/100位移角为幅值进行低周往复加载后,维持平面内位移对墙体平面外横向变形有一定增大作用。

节段料石拼接构造对SCFST柱抗震性能影响有限元分析

为研究节段料石拼接构造对内填料石钢管混凝土(SCFST)柱抗震性能的影响,通过ABAQUS软件建立SCFST柱的数值模型。以轴压比、钢管厚度、料石尺寸、节段料石构造为变化参数,对12个试件进行低周反复荷载作用下的数值模拟。结果表明:内填料石可显著提高试件的初始刚度、承载力及耗能能力,但会导致试件延性系数降低;混凝土强度、轴压比对试件的初始刚度、峰值承载力及耗能能力影响不明显,但对延性系数影响较大;随着料石尺寸的增大,初始刚度基本不变,峰值承载力最多降低17.8%,试件延性系数略微降低,耗能能力显著提高;料石节段布置与料石整体布置试件的初始刚度、峰值承载力基本相当,但延性系数最多降低32.7%,且料石节段间填充混凝土拼接时可显著提高试件承载力。

不均匀锈蚀钢筋截面分布特征与拉伸数值模拟

为研究锈蚀钢筋剩余截面积的分布规律,以及非均匀锈蚀对钢筋力学性能的影响,采用通电加速锈蚀试验获取锈蚀钢筋。通过3D扫描获取锈蚀钢筋的剩余截面积数据和3D实体模型,对剩余截面积进行统计分析,并基于3D扫描模型进行数值模拟。结果表明:剩余截面积沿纵向分布的不均匀性随锈蚀程度增加而显著增强;对平均截面锈蚀率在20.00%以下的钢筋,可采用正态分布模型对其剩余截面积概率分布进行拟合,对平均截面锈蚀率在20.00%以上的钢筋,其剩余截面积概率分布可选用Weibull分布模型;钢筋名义屈服强度、名义极限强度和名义极限应变均随平均截面锈蚀率的增大而降低;在钢筋截面锈损严重处出现应力集中现象,导致锈蚀钢筋力学性能退化。

未知地震激励下结构恢复力及质量非参数化识别

地震作用过程中结构恢复力是描述结构损伤发生发展过程定量描述的基础,更有助于描述结构在地震中破坏模式的演化。该文研究地震激励下结构部分质量及动力响应信息未知时,结构非线性恢复力、质量以及未知加速度时程的非参数化识别方法。首先,根据部分已知动力响应测量和质量信息,识别地震加速度时程。随后,利用记忆衰退全局加权迭代扩展卡尔曼滤波算法,引入幂级数多项式表征结构恢复力,实现了结构质量与非线性恢复力的非参数化识别。将具有非线性恢复力的磁流变阻尼器中引入到一个剪切型多自由度结构构成非线性系统,考虑测量噪声的影响,通过数值模拟验证了在噪声及较大质量初始误差情况下该方法识别结构质量、非线性恢复力及地震动加速度时程的识别效果。

利用部分加速度测量的结构滞回特性免模型识别

结构非线性恢复力与位移的关系即滞回特性是强动力荷载作用下结构损伤发生发展过程的直接表征,可直接用于结构耗能的定量评估。该文提出一种仅部分自由度受到激励且只有部分自由度上加速度响应测量已知时结构非线性恢复力和质量识别方法。无需结构恢复力参数化模型,利用切比雪夫多项式来描述非线性恢复力,结合无迹卡尔曼滤波算法(Unscented Kalman Filter,UKF),在结构刚度、阻尼、质量未知情况下,实现非线性恢复力和结构质量识别。在一个多自由度数值模型中引入磁流变阻尼器模拟非线性构件,通过数值模拟验证该方法的识别效果。结果表明,该方法在仅部分自由度受激励且仅部分自由度上加速度响应时程已知时,可对结构非线性恢复力和质量进行有效识别。该方法对工程结构在强动力荷载作用下损伤发展过程的识别及耗能的定量评估具有重要意义。

基于自复位变摩擦阻尼器的结构减震控制

目的针对常摩擦力摩擦阻尼器不能根据结构反应实时调整滑动摩擦力、导致减振效果不稳定的问题,研发一种自复位变摩擦阻尼器.方法基于库仑摩擦定律建立自复位变摩擦阻尼器的恢复力模型,通过对设置以及未设置阻尼器的结构分别进行确定性及随机地震反应分析,研究该阻尼器的减振效果.结果确定性地震动作用下,自复位变摩擦阻尼器能够有效减小结构的层间位移反应,而绝对加速度反应通常有所增大;随机地震动作用下,自复位变摩擦阻尼器能明显减小无控时层间位移较大楼层的位移反应,多数楼层绝对加速度均方根值的均值和标准差有所减小,而楼层绝对加速度峰值大多增大.结论自复位变摩擦阻尼器能明显降低结构的位移反应,且位移控制效果基本上不随输入地震动加速度峰值的变化而改变,但受控结构的加速度反应通常较无控结构有一定增大.

组合结构空洞缺陷检测压电阻抗数值模拟研究

钢管混凝土等组合结构在超高层建筑中的应用日益广泛,其核心混凝土的空洞缺陷会严重影响构件的力学性能。该文利用数值模拟法对基于压电阻抗的核心混凝土空洞缺陷检测技术的作用机理进行了深入研究。通过对比有、无缺陷区域的阻抗计算结果,分析判定缺陷位置,并定义偏差均方根损伤指标来评估测点位置的损伤程度。结果表明,核心混凝土空洞缺陷的存在会导致相应位置的嵌入式压电传感器阻抗频率曲线产生显著变化,所定义的损伤指标可有效识别核心混凝土的空洞缺陷,数值模拟法成功验证了基于压电阻抗法的核心混凝土空洞缺陷检测技术的有效性。

改进遗传算法的结构随机控制系统优化分析

结构主动/半主动控制效果与输入动力作用的性质、主动/半主动控制算法、减振装置的设置数目和位置等因素有关。为解决随机激励作用下、结构控制系统中控制器参数优化与作动器优化配置问题,提出一种改进的遗传算法。该遗传算法采用随机竞争与最佳保留相结合的选择策略,以提高计算效率;为避免交叉和变异操作产生违反约束条件的个体,发展了改进的二进制单点交叉和改进的单基因座与双基因座变异。数值算例分析表明,提出的改进的遗传算法计算精度高,收敛速度快,是一种有效的结构控制系统一体化优化分析方法。

福建土楼屋盖风压气动抗风措施研究

针对福建土楼所处的气候特点,讨论了福建土楼亟待保护的屋盖抗风问题,对典型圆形和方形土楼屋盖,采用数值模拟方法,分析了土楼屋盖风压分布规律及极值风压,结果表明土楼大悬挑轻质木屋盖不利于抗风,易风致损坏.因此为了降低或减少土楼的风灾损坏,提出以"疏导"土楼屋盖风压为目的的气动抗风措施,根据世界文化遗产保护组织的要求,土楼的保护不应改变其屋盖面貌、结构和材质.研究土楼屋盖的气动抗风措施,研究表明:在土楼屋脊处通过设置导风环板来改变土楼周围的空气流场,进而有效削弱高强气流在土楼屋盖上施加的风荷载,从而提高土楼抗风性能.

基于夯土风雨侵蚀损耗的土楼夯土结构耐久性研究

采用现场实测和借鉴水土流失统计方法,揭示了夯土风雨侵蚀损耗机理和规律,进而提出夯土风雨侵蚀损耗计量公式;并结合土楼当地风、雨气象数据,计算出近年来夯土的年侵蚀量。采用缩尺土楼模型,进行抗压试验,研究土楼结构性能;进而分析夯土墙风雨侵蚀后满足承载要求的临界墙厚,从而可预测夯土墙使用寿命,为福建土楼科学保护提供依据。

基于云模型相似性度量的结构不确定性损伤识别

测量噪声、建模误差等不确定性因素会影响损伤识别结果,甚至导致损伤误判的问题。为此,提出基于频响函数和云模型相似性度量的不确定性损伤识别方法。首先基于多次重复测量数据,根据频响函数理论计算结构损伤前后各单元的损伤系数,采用损伤前后云模型期望曲线的相似程度来构造损伤位置识别指标,识别结构的损伤位置。其次,利用单元损伤前后的云模型数字特征变化量来构造损伤程度指标,确定损伤单元的损伤程度。以23杆桁架结构数值算例验证该方法的可行性及可靠性,探讨原始样本个数、噪声程度对识别结果的影响,并研究在无健康工况数据条件下所提方法的识别效果。研究结果表明:与传统的云模型相似性度量方法中的夹角余弦法相比,所提算法可以更好地处理损伤识别过程中的不确定性问题,且仅需少量样本即可准确识别出单元的损伤位置及损伤程度,具有一定的工程应用价值。

自助法的改进及在结构参数不确定性量化和传递分析中的应用

参数不确定性量化及传递分析常需假定参数的总体分布,概率分布的选取对分析结果有较大影响。自助法无需进行分布假设即可对总体的分布特性进行统计推断,可在一定程度解决以上问题,但是在小样本情况下容易导致计算结果偏离真实分布。为此,采用信息扩散理论对自助法进行改进,结合响应面理论,提出新的参数不确定性量化及传递分析方法。该方法首先对各个Bootstrap子样本的概率密度函数进行信息扩散估计,采用接受-拒绝法生成大量改进Bootstrap子样本,计算不确定性参数的概率统计特征值。其次,根据不确定性量化结果,基于响应面模型,快速计算结构响应的变化区间,根据所定义的区间灵敏度指标来判断参数不确定性对结构响应的影响程度,量化响应的不确定性。最后,通过一斜拉桥的参数不确定性量化及传递分析,验证了所提方法的可行性及可靠性。

基于部分加速度测量的结构Bouc-Wen非线性恢复力及质量识别

结构非线性行为识别是结构灾后损伤评估的关键。扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)有助于解决结构动力响应测量不完备的问题,但一般要求结构质量已知。针对仅部分加速度响应已知和结构质量未知情况下结构非线性恢复力的识别问题,提出一种结合EKF和最小二乘算法的结构非线性恢复力及质量识别的迭代算法。该方法基于质量估计值和部分自由度上的加速度响应测量,通过EKF预测完整响应时程,再利用最小二乘法识别修正质量分布,循环迭代至收敛,最后基于质量收敛值实现物理参数(刚度、阻尼、非线性)的识别,进而得到非线性恢复力。以一个含Bouc-Wen磁流变阻尼器的多自由度体系的数值模型为例,考虑4种不同的质量初始误差,通过数值模拟验证该方法识别结构质量及非线性恢复力的有效性。同时考虑加速度测量噪声的影响,证明了该方法的鲁棒性。

石结构滑移隔震缝力学性能试验研究

针对石砌民宅存在严重抗震安全隐患的问题,提出一种适用于条石砌筑石结构墙底滑移隔震技术方案,开展8个隔震缝滑移界面双剪试件的低周反复加载试验。隔震缝采用钢板-料石和双层钢板2种界面形式,分别研究钢板-料石界面试件的竖向压应力和钢板尺寸以及双层钢板界面的竖向压应力和界面润滑状态对界面力学性能的影响。研究结果表明:钢板-料石界面静摩擦因数为0.28~0.46,平均动摩擦因数为0.55~0.73,摩擦因数偏大且摩擦性能不稳定,不适用于石结构滑移隔震缝。在双层钢板摩擦界面间涂抹二硫化钼润滑剂可有效降低界面摩擦因数,提升其摩擦性能的稳定性。双层钢板未润滑、半润滑和全润滑界面的静摩擦因数分别为0.22,0.17和0.12,平均动摩擦因数分别为0.30,0.20和0.17,加载过程中动摩擦因数的增量分别为0.17,0.08和0.02。双层钢板全润滑界面摩擦性能及耗能性能稳定,其静摩擦因数为0.12,平均动摩擦因数为0.17,适用于石结构滑移隔震缝。

部分观测下结构质量识别迭代及滞回力识别方法

在强动力荷载作用下结构滞回力可直接描述损伤的发生发展过程,并用于结构耗能的定量评估。提出一种仅利用结构部分自由度上加速度响应时程且结构刚度、阻尼、质量均未知时的结构质量识别迭代和滞回力识别方法。首先基于质量预估值利用扩展卡尔曼滤波方法预测结构的位移和速度响应以及未知加速度响应,利用二重切比雪夫多项式对质量进行更新并迭代直到收敛,最后基于收敛的质量识别值描述结构滞回性能,识别结构滞回力。在一个多自由度集中质量数值模型中引入磁流变阻尼器模拟非线性构件,在结构仅已知部分自由度上加速度响应时程的条件下,数值模拟结果发现结构质量分布和阻尼器的滞回阻尼力均有良好的识别结果,同时考察了测量噪声的影响。