基于小波包变换和时变频率的结构地震损伤评估

基于频率变化的结构地震损伤评估方法具有机理明确和精度较高等特点,但传统信号分析方法在时频分辨率上不能同时满足精度要求,导致时变频率不能直接从响应信号中精确获取,影响频率法损伤评估的应用。依据时频边缘条件提出时频谱分析精度评价标准,通过对比不同的信号分析方法,确认具有特定基函数的小波包变换是获取精确时变功率谱的有效工具;提出基于小波包脊的时变频率提取方法,在此基础上依据结构频率的变化可计算结构时变损伤指标,并最终实现结构多维地震损伤评估。算例表明基于小波包变换和时变频率的结构地震损伤评估方法可以较准确地反映结构的整体损伤演变过程和最终损伤程度;应用该方法时仅需结构的位移时程,在结构动力分析、抗震验算及实际结构的震害评估中均具良好的适用性。

基于阻尼特性的RC简支梁桥损伤识别分析及试验研究

基于频率和振型等基本动力参数的损伤识别方法存在不足,准确性和适用性有待改进。提出将阻尼作为损伤识别的指标,探究阻尼与结构损伤之间的关系。论述阻尼与结构裂缝的数量和宽度及损伤演变的关系。通过对一跨简支T梁桥试验,采用自由振动法求阻尼比,获得了不同损伤等级损伤演变下的阻尼比。结果表明阻尼比随着损伤等级的增加呈现先增大后减小的变化过程,且正负位移对应的阻尼比的差值也具有先增大后减小的演化规律。阻尼比变化率大的位置,损伤程度大,可以利用阻尼比变化率实现基本损伤定位。与频率和振型相比,阻尼比更丰富敏感,可以作为钢筋混凝土桥梁的损伤识别指标,其拐点可以作为结构加固及维修的预警阈值。

基于弹塑性耗能差率的地震损伤评估模型及分析方法

针对现有地震损伤模型的不足,从能量耗散角度认为损伤的形式和程度与结构理想弹性变形能和实际弹塑性变形能之间的差异相关,可以用该差值的变化率表征损伤演变。从静力和动力耗能角度分别阐述地震损伤模型的力学机理和计算方法,提出了利用多次弹塑性动力时程分析方法计算理想弹性变形能、整体屈服初始时刻,进而获得结构损伤演变过程的方法。通过对比各种损伤模型特性和不足,论证该模型的优越性,并进而定义结构不同破坏等级的损伤性能目标。最后,通过钢筋混凝土剪力墙及框架结构静动力弹塑性分析验证了该能量损伤模型的准确性、全面性和实用性。

动态土工真三轴仪在砂土液化研究中的应用

为了模拟实际场地中土体变形和强度特性,研究开发了揭示侧限条件下饱和砂土震动液化机理的试验方法。文中采用了动态真三轴试验系统,该设备采用刚性板加柔性面的混合边界加载装置,并应用先进的CATS试验控制系统。试验结果表明应用动态土工真三轴仪进行砂土液化实验是可行的,并初步分析了侧限条件下的液化机理,即土体将在轴向压力、侧压和孔隙水压力相等的条件下发生液化,表明振动荷载过程中的应力重分布对砂土液化强度和孔隙水压力发展等具有显著的影响。

地震动统一时频谱特性及其在人工合成中的应用

传统地震动时域或频域理论模型不能充分反映地震动时频域的非平稳性。利用现代信号分析方法可以获得非平稳时变功率谱及演变谱,但缺乏精度评价标准。在理论和计算分析的基础上,确认小波包分解方法是建立时变功率谱的有效工具,并依据时频边缘条件提出时频谱分析精度评价标准。在地震动时频特征统计分析的基础上,认为地震动时频谱由多峰平滑谱和非平稳噪声谱两部分构成。分别建立由多峰平滑功率谱和非高斯频域噪声谱构成的地震动频域谱模型以及由多峰平滑时域能量谱模型和非高斯时域噪声谱模型构成的地震动时域谱模型。由此形成的时频谱模型在时频特性表征、函数表达、精度及多维分析等方面均有较强的统一性。依据统一时频谱进行调整或人工合成的地震动具有良好的精度和强非平稳性。

三维地震动下结构最不利入射角度研究

当地震波沿不同的方向输入时,结构具有不同的动力响应,并存在最不利入射角度使结构响应最大。传统的最不利入射角度计算只考虑平面内水平两向地震动作用,没有考虑竖向地震动对结构最不利反应的影响。论证了弹性力学中的平面最大主应力方向理论与平面内结构最不利入射角度在机理上是相通的。在此基础上推导了空间最大主应力方向的表达式,进而提出结构考虑三维地震动的最不利入射角度计算公式。提出了基于有限元分析的弹塑性结构瞬时最不利入射角度计算方法。通过数值模拟讨论了空间最不利入射角度的特性和变化规律。通过计算实例证明对于以竖向振型为主的结构应考虑多维地震动并计算空间最不利入射角度。同时,结构弹塑性最不利入射角度具有瞬变特性并与结构损伤程度相关。

侧限条件下饱和砂土的液化机理研究

利用土工动态真三轴仪进行侧限条件下饱和砂土的液化试验研究。通过对应力时程曲线及有效应力路径的分析发现,侧限条件下循环荷载试验中饱和砂土达到初始液化后孔隙水压力和围压随轴向动荷载同步等值变化,广义剪应力和有效平均主应力始终保持在液化应力水平,基于以上现象提出"持续液化"的概念,与常规试验中的"瞬时液化"进行比较发现,常规试验中影响土体剪胀性的因素,如密度、固结比、粒径,并不会影响侧限条件下循环荷载试验中"持续液化"的发生。

基于协整理论的环境温湿度效应下连续梁桥频率修正方法

环境温度和湿度效应及其变化导致工程结构的模态参数有明显的波动和时变特性;目前关于温度对桥梁频率影响和相关量化统计方法并不能完全反映多环境因素综合作用下的结构动力性能和时变频率特性。利用协整理论能够量化多个非平稳序列之间长期均衡关系的能力,对自然环境下三跨混凝土桥梁模型的长期监测及数据分析,建立了基于协整理论的"温度—湿度—频率"长期均衡模型,研究了温度和湿度对结构频率的综合影响。结果表明该模型具有较好的拟合精度和预测能力,能充分反应环境温度和湿度对结构频率影响的本质特征;基于该协整模型,进一步提出了考虑多环境因素影响的桥梁频率修正模型,有效剔除环境温度和湿度对频率的影响,准确展现结构内因引起的动态特性改变,为桥梁损伤诊断和安全评估提供有效信息。

统一光滑反应谱及其在地震动合成中的应用

为改进目前抗震设计加速度反应谱的精度和统计特征在不同周期段有所差异以及由此合成的地震动的低阶谱在频谱特性方面不够真实等问题,基于相对位移反应谱线性模型及其与高阶谱的关系,提出采用唯一函数形式表示的统一光滑加速度反应谱,在此基础上提出兼顾位移谱特性的人工地震动合成方法.数据分析结果表明统一光滑谱具有形式简单、各周期段精度均较高等优点,由此生成地震动信号能够更综合准确地满足加速度谱、速度谱和位移谱的频谱特性需求,精度较高.统一光滑反应谱在函数形式、多阶谱、弹塑性谱精度及多维性等方面具备统一性,可以应用于结构抗震分析及地震动合成.

基于多目标拓扑优化的复合低屈服点钢阻尼器减震性能分析

鉴于传统低屈服点钢板阻尼器屈服点较高且不能调控的缺点,提出了由低屈服点钢板和普通钢板组合的复合低屈服点钢板阻尼器。提出包括边缘镂空、内部镂空和椭圆镂空等三种钢板阻尼器的新型镂空形式,并将"最大刚度"和"满应力状态"同时作为优化目标,通过交替优化方法对不同镂空形状进行拓扑优化,获得最优形状;对不同形式的复合钢板阻尼器进行有限元数值计算,计算结果表明内部优化模型阻尼器和边缘优化模型阻尼器初始刚度较大、滞回曲线饱满且无应力集中现象。对不同材料配比的两种优化模型阻尼器进行了数值模拟,验证提出的复合钢板阻尼器的屈服点具备可调性;对装有两种优化模型阻尼器的框架整体抗震减震能力进行了仿真分析,结果表明边缘优化模型阻尼器耗能能力更优越,适合应用。

基于残余应力的复合阻尼模型及在RC梁损伤分析中的应用

传统阻尼模型包括黏滞型、库仑型、复阻尼型及应力型等,以上模型在表征阻尼随结构损伤演变的变化规律方面存在不足。认为钢筋混凝土结构的阻尼耗能主要包括黏滞阻尼耗能和残余应力阻尼耗能,且残余应力包括钢筋和混凝土之间的黏结应力以及混凝土裂缝间的摩擦应力。在此基础上提出基于残余应力的复合阻尼模型,并建立包含黏滞和库仑阻尼的结构动力方程,推导阻尼比随损伤变化公式。分析不同损伤程度下钢筋混凝土结构的阻尼比变化规律,发现残余应力与刚度的比值明显影响损伤过程中阻尼的变化趋势,且复合阻尼模型的参数丰富,适应性强。最后,通过钢筋混凝土简支梁静力损伤试验测试阻尼随损伤程度的变化,结合数值模拟研究阻尼比随损伤程度变化的机理。结果表明:提出的阻尼模型具有明确的力学机理,能够准确地反映钢筋混凝土梁式结构阻尼比随损伤先增大后减小的规律。

采用低屈服点金属的可置换式钢节点减震分析

传统钢结构节点设计通常不能充分达到预期抗震要求,而以梁端削弱型梁柱节点虽然能够初步实现"强柱弱梁",但可能在削弱区产生局部屈曲和整体侧移,在强震下安全储备不足。针对此问题,基于可恢复功能减震结构的理念,提出采用低屈服点金属的梁端削弱更换式梁柱节点。该节点利用低屈服点材料对翼缘和腹板的削弱处进行填补,在地震中低屈服点金属率先屈服并充分耗能,可降低节点主体的损伤,并可在震后对低屈服点金属进行更换。选取低屈服点钢材作为置换材料,通过材料性能试验获得相应的材料本构。在此基础上,对比分析低周往复加载下不同的抗震减震性能和损伤特征。采用多尺度有限元建模方式对采用不同类型节点的钢框架进行弹塑性时程分析。结果表明,可置换式节点能够将主要损伤控制在置换材料内,并具有更强的耗能能力、可恢复能力和安全储备。

考虑荷载分布模式的弯剪型结构最优刚度分布解析研究

如果结构在外部激励下产生均匀损伤或均匀变形,则可避免出现薄弱层且可提高承载能力和安全性,以此为目标进行结构优化具有重要意义。将弯剪型结构简化为连续变截面悬臂杆,假定结构截面函数具有自然指数型和幂函数型等形式,将地震和风荷载等外部激励等效为均布、倒三角和惯性相关等三种荷载分布模式。根据均匀变形准则将结构绝对位移曲线关于高度的二次导数为零作为优化目标,建立结构连续化位移方程并进行优化求解,获得了考虑荷载分布形式的弯剪型结构最优刚度和截面分布解析解。理论和数值分析结果表明:截面按幂函数变化的结构能够实现均匀损伤,不同荷载分布模式下的最优刚度或截面分布有所不同。有限元静动力分析结果进一步验证了解析解的准确性和实用性。

墙后填土液化前后对挡土结构物的总压力分析

针对墙后填土液化前后对挡土结构物总压力的变化情况进行了分析。墙后填土液化后孔隙水压力升高、有效应力降低,土颗粒处于悬浮状态,此时不存在土压力。由于液化后墙后填土呈现出粘性流体的性质,其对挡土结构物的作用力等同于以土体饱和重度γsat为重度的粘性流体以各方向相同的力作用在挡土结构物上,因此液化后挡土结构物上的总压力明显增大,工程中应予以重视。计算结果表明:随着地下水位的下降,墙后填土液化前、后对挡土结构物的总压力均逐渐减小,但液化后与液化前的总压力比值呈先增大后减小的变化趋势;随着静止土压力系数K0的增大,墙后填土液化前后对挡土结构物的总压力逐渐增大(完全浸水情况下,液化后的总压力不随静止土压力系数K0的变化而变化),但液化前的总压力增长更快,故液化后与液化前总压力的比值呈减小的趋势。

黏性土的抗剪强度特性试验研究

利用环剪仪针对塑性指数不同的3种黏性土,在不同的固结状态下进行了较系统的试验研究,探讨了大变形黏土的抗剪强度变化规律,分析了残余强度的影响因素。试验结果表明:本试验所采用的环剪仪无论对于粉质黏土还是黏土均具有良好的稳定性,测试精度高,因此能够保证试验结果的准确性;对于塑性指数不大的粉质黏土,应力历史对其抗剪强度的影响并不显著;对于塑性指数较大的黏土,应力历史对残余强度没有影响,而峰值强度随着超固结比的增大而增大,最终接近粉质黏土的峰值强度;塑性指数是影响残余强度非常重要的因素,随着塑性指数的增大,残余强度显著降低;黏性土剪切沉降曲线的类型与塑性指数和超固结比有关。

梁端填充低屈服点钢材的梁柱连接减震性能试验与损伤分析

传统钢结构节点通常按刚性节点理念进行设计,其实际抗震性能可能达不到设计预期。梁端削弱型梁柱节点虽然能够初步实现"强柱弱梁",但在削弱区会产生局部屈曲,在强震作用下安全储备不足。基于可恢复功能结构理念,提出采用低屈服点钢材对梁翼缘和腹板的削弱处进行填补,使低屈服点钢材在地震中率先屈服并充分耗能,以降低节点主体的损伤,并可在震后对低屈服点钢材进行更换。针对现有地震损伤模型的不足,提出基于弹塑性耗能差率的能量损伤模型,从而更准确细致地评价钢梁端连接的损伤性能。试验加工制作了相应的传统钢节点、削弱钢节点和填充式耗能钢节点,并进行低周往复加载试验研究。通过多种性能评价参数,对梁端连接的减震性能进行综合评估。结果表明,填充式耗能钢节点具有更加优良的承载能力、延性和耗能能力。此外,所提出的能量损伤指标可以更好地反映梁端连接损伤演变过程及其损伤规律。

带任意附加质量的变截面弹性支承梁动力特性的解析解

根据变截面梁桥的结构特点,建立了带任意附加质量的变截面弹性支承梁(桥)动力特性的简化计算模型。基于Bernoulli-Euler梁理论,对直接模态摄动法进行改进得到改进摄动方法(IPM)。在完全弹性支承梁的模态子空间内,IPM法将带任意附加质量的变截面弹性支承梁的变系数微分方程转化为线性代数方程组。IPM法适用于求解带任意附加质量的变截面弹性支承简支和连续梁(桥)的振动方程。算例分析表明:IPM法具有较高的计算精度和较快的收敛速度。根据变截面对称梁(桥)的振型对称性给出了对称梁(桥)动力特性的简便计算方法(SIPM)。SIPM法可以减少未知系数和未知数约50%,计算精度与IPM法接近,计算效率更高。最后,研究了附加质量和弹性支承对三跨变截面连续梁桥动力特性的影响规律。

考虑钢筋锈蚀影响的桥梁综合时变地震易损性分析

传统的钢筋混凝土桥梁地震易损性分析一般只针对桥墩截面曲率等局部构件参数进行,且不考虑耐久性对结构性能的影响,具有一定的局限性.提出一种基于时变周期的桥梁地震易损性分析方法,能够计算复杂桥梁多维整体易损性.在此基础上,通过对钢筋黏结力和截面面积的修正,建立不同龄期桥梁有限元模型,可考虑耐久性降低对地震易损性的影响.通过基于周期和桥墩曲率的易损性分析,建立了考虑钢筋锈蚀影响的桥梁综合时变地震易损性分析方法.算例结果表明基于时变周期的锈蚀桥梁地震损伤值及相关易损性分析能准确细致地反映桥梁整体的损伤演变过程,在此基础上提出的不同服役年限下损伤指数比函数可以表征整体易损性的时变规律.

基于DLA的氯离子侵蚀与碳化耦合作用下桥梁性能演变模拟

氯离子侵蚀和碳化是影响混凝土结构耐久性的主要因素,各自的理论公式已比较完善,但考虑二者耦合作用的定量分析和模型较少,影响混凝土结构耐久性分析的精度和水平.扩散限制凝聚模型(Diffusion-limited Aggregation,DLA)能够较完善地模拟气体的扩散凝聚,且具有随机性和分形特征,适合细致反映氯离子侵蚀、碳化及二者耦合作用下混凝土性能演变过程.本文基于DLA原理,考虑到扩散深度、混凝土特性及暴露条件等对氯离子扩散的影响,并考虑到混凝土特性及暴露条件等对碳化的影响,以及碳化与氯离子侵蚀的耦合作用,建立DLA模型,可获得任意时刻、任意位置处二氧化碳与氯离子的浓度.针对桥梁耐久性分析需求,提出利用DLA模型预测考虑疲劳效应的混凝土和钢筋性能退化方法.算例表明该方法能够动态细致地模拟桥梁耐久性演变过程.