隔震结构弹塑性反应谱分析研究

根据弹塑性反应谱理论,按照非线性恢复力模型的等效阻尼比和位移延性的关系,以单质点弹塑性反应分析结果为依据,建立基于等效阻尼比的隔震结构弹塑性反应谱。进一步比较弹塑性反应谱和我国规范得到的反应谱,结果显示规范的加速度反应谱在长周期段谱值过大,阻尼衰减系数也较大。基于单质点弹塑性地震分析的结果,在我国规范反应谱公式的基础上提出的隔震结构弹塑性反应谱公式。最后通过对5层钢框架隔震结构模型进行振动台试验、数值时程分析、规范反应谱计算、以及用弹塑性反应谱进行计算。结果表明,时程分析法的分析结果和振动台试验的结果比较接近,而按照规范反应谱的等效线形化方法计算出的结果与振动台试验的结果有一些偏差,弹塑性反应谱的地震反应更加接近试验实测的结果,表明了新提出的弹塑性反应谱进行隔震结构的地震反应分析时具有良好的计算精度。     

基于模型试验的软夹层地基与刚性地基上隔震结构体系耗能特性分析

基于能量分析法提出了考虑土-结构动力相互作用(SSI效应)的隔震结构体系能量反应平衡方程,通过对软夹层地基和刚性地基上隔震结构体系振动台模型试验的耗能分析,研究了软夹层地基和刚性地基上隔震结构体系的耗能特性。研究结果表明:提出的土-隔震结构动力相互作用体系能量反应平衡方程能够有效地反映土-隔震结构动力相互作用体系各部分的能量反应。由于SSI效应的影响,软夹层地基上隔震结构隔震层的滞回变形耗能比、动能能量比和阻尼耗能比与刚性地基时耗能反应明显不同,大震时SSI效应影响更为显著,表现为隔震结构的动能能量比和阻尼耗能比增大,而隔震层的滞回变形耗能比降低,降低幅度与输入地震动的特性相关。软夹层地基上隔震结构的动能能量比与隔震层转动效应的强弱密切相关,阻尼耗能比与隔震结构体系的阻尼比相关。     

基于整体可靠度的隔震结构参数优化分析

为了研究隔震结构关键设计参数对其在地震作用下整体可靠度的影响,将隔震结构简化的两质点计算模型,隔震层采用Bouc-Wen模型来模拟,上部结构采用刚度退化的Bouc-Wen模型来模拟,建立了隔震结构的运动方程,结合虚拟激励法与可靠度理论,分析了隔震结构在不同周期比、屈重比与阻尼比下的平稳随机地震响应与动力可靠度。并以整体可靠度为目标,对隔震结构的设计参数进行优化选取。将上述理论运用于设防烈度为8度的某隔震结构,分析了隔震层与上部结构的层间位移峰值的随机地震响应,并计算了隔震结构的整体可靠度。研究结果表明,隔震结构的周期比、屈重比及阻尼比的适当选取,能使隔震结构的隔震层与上部结构位移响应均较小,从而使隔震结构整体可靠度较高。从整体可靠度的角度对隔震结构的安全性进行评估,对隔震结构的合理设计及性态控制有指导意义。     

翻转动能对基础隔震剪力墙结构高宽比限值的影响分析

针对上部结构整体刚度较大的基础隔震剪力墙结构体系,通过将上部剪力墙结构简化为刚体得到能够考虑结构翻转动能的两自由度基础隔震简化模型,并以此为分析对象,建立体系振动微分方程。采用复模态方法进行解耦变换,分析结构平动及隔震层翻转角位移的频响特性。在此基础上提出了考虑上部结构翻转动能影响动力倾覆分析方法,并推导了高宽比限值的动力法计算公式。通过对比分析动力法及等效静力计算结果,得出以下结论:上部结构翻转动能对基础隔震高层剪力墙结构以支座不受拉为控制条件的高宽比限值的影响不容忽视;所提出的动力倾覆分析法较仅考虑平动动能的等效静力法更为准确,且更偏于安全;等效静力法相对于动力法计算结果的偏差随着地震烈度、隔震结构周期、场地卓越周期的增大而减小,随隔震层水平等效阻尼比的增大而增大;在其他设计条件不变的情况下,减轻上部结构质量、增大隔震支座总竖向刚度,对基础隔震剪力墙结构高宽比限值的提高是有利的;分析基础隔震剪力墙结构高宽比限值时,应当充分考虑场地条件、地震分组、结构周期、阻尼比等因素的影响。     

考虑非比例阻尼的基础隔震结构非线性反应谱研究

对于基础隔震结构而言,其上部结构和隔震层的阻尼特性截然不同,往往呈现出明显的非比例阻尼特性。因此,有必要建立一种考虑非比例阻尼的隔震结构实用计算方法以便于推广和应用。通过用双自由度振动体系模拟基础隔震结构,在建立运动方程时考虑其非比例阻尼效应。通过对该简化模型进行动力时程分析,得到其在近场及远场地震记录作用下考虑非比例阻尼与瑞利阻尼的反应谱,并通过曲线拟合得到了非比例阻尼反应谱和瑞利阻尼反应谱的谱比值与结构自振周期之间的关系式。然后对某实际隔震工程进行地震响应分析,验证所提公式的合理性。     

不同土性地基上高层隔震结构振动台试验对比研究

通过土-结构动力相互作用（SSI）体系的模型振动台对比试验,研究不同土性地基上高层隔震结构的地震反应特性和隔震效果。采用叠层剪切型土箱以减小边界效应影响,模型地基分别为刚性地基、均匀软土层地基、分层可液化地基,采用高宽比为4的五层钢框架作为上部隔震结构模型。试验发现,考虑SSI的隔震结构体系频率均小于不考虑SSI的体系频率,均匀软土层地基上隔震结构体系的阻尼比刚性地基增加,而分层可液化地基上体系的阻尼则降低;软弱地基上隔震层位移可明显大于刚性地基上的情况,而当地基发生液化时隔震层的位移则明显减小。研究结果表明,建造于软弱地基、存在液化可能地基上的高层隔震结构仍然能够发挥隔震效果。     

隔震结构复振型分解反应谱方法研究EI北大核心CSCD

隔震结构一般具有非比例大阻尼特性,使得复振型分解反应谱方法的研究越来越重要。该研究通过隔震结构运动方程考虑非比例阻尼矩阵的耦合影响,根据复模态和平稳随机过程理论提出了隔震结构复振型分解反应谱方法,分别采用瑞利阻尼、振型叠加阻尼系数和阻尼比换算阻尼系数3种方法来组装形成4种不同的非比例阻尼矩阵,并以隔震结构特点分析了阻尼矩阵适用性;随后对比分析了在天然波反应谱作用下,不同阻尼矩阵组装方式下隔震层等效周期、等效阻尼比、对完全平方组合(CQC)和复振型完全平方组合(CCQC)方法计算精度的影响规律;最后基于设计反应谱CQC和设计反应谱CCQC反应谱方法,研究了隔震层不同等效周期和等效阻尼比对隔震结构的楼层位移、楼层剪力和楼层倾覆矩误差影响规律。研究结果表明,阻尼系数方法更适合用于非经典阻尼矩阵的构造,CQC反应谱方法在近场地震下不能准确反映实际响应,且其使用范围受限较多,而CCQC反应谱方法可以很好的反映隔震结果的地震响应。     

基础隔震结构的运动方程与阻尼矩阵在动力响应分析中的适用性研究

结构阻尼模型和运动方程是影响结构抗震动力分析精度的关键因素。由于基础隔震结构地震响应具有显著的特殊性,因此普通非隔震结构地震响应算法未必适用。基于这一认识,重点研究基础隔震结构动力分析方法中采用的各种模型,考虑基于不同地震动输入的结构阻尼模型和运动方程。研究发现,采用现有常规方法构造隔震结构阻尼模型时,上部结构会随着隔震支座发生刚体位移时产生阻尼力,这将可能导致计算精度的显著降低。针对这一问题,提出了确定基础隔震结构阻尼矩阵的一般方法,给出了基于上部结构阻尼矩阵和隔震层阻尼常数的通用表达式。采用隔震结构剪切型模型,给出了结构矩阵的解析表达式,并以此为基础进行了算例验证。研究结果表明,目前常用的隔震结构阻尼模型可能会高估结构的阻尼作用,从而低估结构响应;采用位移输入模型会高估隔震层相对位移、低估上部结构响应,当隔震层等效阻尼比达到0.3时,相对偏差可达到34.6%和-31.1%,而采用位移-速度输入模型可得到与加速度输入模型一致的分析结果,故应采用位移-速度输入模型代替传统的位移输入模型。     

橡胶垫震结构杆系—层模型地震反应分析

本文采用高层建筑的杆系－层模型动力分析方法，用改进后的ＨＢＴＡ程序对我国首栋橡胶垫减震结构进行了弹塑性动力时程分析。该程序能够计算结构在双向地震波作用下的反应，并考虑了各楼层的扭转耦合效应，可求解结构每层及每根梁柱构件的内力、变形反应里程，为结构设计提供了可靠依据。     

软夹层地基上多层隔震结构模型振动台试验研究

基于软夹层地基和刚性地基上多层隔震结构体系地震反应的振动台模型试验,研究软夹层地基上隔震结构体系的动力特性、地基地震反应特性、上部结构加速度反应特征,分析基础与隔震层的转动效应及其对隔震效果的影响。试验结果表明:软夹层地基对地震动输入起明显的削弱作用;软夹层地基上SSI效应对隔震结构动力特性影响较大,SSI效应降低了隔震结构体系的一阶自振频率,显著增大了体系的阻尼比;软夹层地基上SSI效应使隔震结构基础及隔震层产生转动反应,隔震层对基础转动角加速度反应有一定的放大作用,与输入地震动的特性有关;软夹层地基上SSI效应可增大也可能减小隔震结构上部结构的地震反应,隔震效果与隔震层转动效应的强弱密切相关,隔震层转动效应显著时,隔震结构楼层加速度峰值放大系数增大,隔震效果降低,而隔震层转动效应减弱时,楼层加速度峰值放大系数与刚性地基时相似,隔震效果较好。     

INFLUENCE OF DAMPING MODELS ON DYNAMIC ANALYSES OF A BASE-ISOLATED COMPOSITE STRUCTURE UNDER EARTHQUAKES AND ENVIRONMENTAL VIBRATIONS

Structural design simultaneously governed by earthquakes and environmental vibrations has received a lot of attention in recent years.Base-isolated composite structures are typically used in the above-mentioned structural design.The corresponding analysis involves validating structural safety under earthquakes and human comfort under environmental vibrations through a time-history analysis.Thus,a reasonable damping model is essential.In this work,the representatives of viscous damping model and rate-independent damping model,namely the Rayleigh damping model and uniform damping model,were adopted to investigate the influence of damping models on the time-history analysis of such structural designs.The energy dissipation characteristics of the above-mentioned damping models were illustrated via a dynamic test of recycled aggregate concrete specimens.A case study was performed on a base-isolated steelconcrete composite structure.The dynamic responses under the excitation of earthquakes and environmental vibrations were compared using different damping models.The uniform damping model was found to be more flexible than the Rayleigh damping model in dealing with excitations with different frequency components.The uniform damping model is both theoretically advantageous and easy to use,demonstrating its potential in dynamic analysis of structures designed simultaneously governed by earthquakes and environmental vibrations.     

复阻尼模型结构地震时程响应研究

阻尼是结构动力分析的重要参数,对动力响应计算的结果有明显影响。目前,结构动力响应分析中的阻尼模型大都采用的是传统的Rayleigh阻尼模型,这种模型是为计算解耦而构造出的,其物理意义不是很明确。该文根据复阻尼系统理论,利用Newmark-β积分法,编制了Rayleigh阻尼和复阻尼模型的三维有限元程序。以三维钢框架结构为研究对象,计算了两种阻尼模型的结构地震时程响应和复阻尼模型的损耗因子,并讨论了不同加速度峰值和时间积分步长对复阻尼结构响应和损耗因子的影响。研究表明:在加速度峰值为2m/s2的El-Centro波作用下,两种阻尼模型的响应相差50%―100%,后者的结构动力响应远大于前者,损耗因子随应力或位移的增大而增大;复阻尼模型结构动力响应和损耗因子的稳定性和精度,与时间积分步长密切相关,不合适的时间积分步长将导致结果发散。     

基础滑移隔震结构双向地震反应分析

通过对滑移摩擦支座摩擦力双向耦合性能的模拟,采用基础隔震结构动力分析程序DABIS对基础滑移隔震结构进行了单向和双向地震反应对比分析,分析表明在双向地震作用下结构各层的加速度反应较小,隔震层的层间位移较大,而上部结构的层间位移较小,并且在双向地震作用下,支座的最大位移明显大于单向地震作用时的支座最大位移,因而在确定支座最大位移时应考虑双向地震作用的影响。     

粘滞阻尼器减震结构的非线性动力分析

基于结构空间杆系-层模型,推导了粘滞阻尼器减震结构的附加阻尼矩阵、动力平衡方程和相对能量方程。在高层建筑结构动力分析程序HBTA中增加对粘滞阻尼器减震结构的非线性动力分析。通过具体算例,验证了本文所建议动力分析方法的正确性,并考察了粘滞阻尼器对结构的减震效果。HBTA程序可以反映结构构件和粘滞阻尼器的内力和变形。对同时包含位移相关非线性和速度相关非线性的结构动力分析做了有益尝试。     

阻尼矩阵选取对核电厂结构地震响应的影响分析

已有研究表明时程动力法中阻尼矩阵的确定对复杂结构工程的地震响应有明显的影响,而核电厂安全相关结构在抗震分析时通常采用时程动力法。为研究阻尼矩阵的选取对核电厂结构的地震响应的影响,从比例阻尼拟合的精度出发,基于结构不同振型对结构产生的影响程度入手,建立更为精确的结构阻尼模型,即等效比例阻尼,并进一步考虑结构自振特性以加权最小二乘法拟合确定等效比例阻尼系数,提出了核电厂结构地震响应分析相应的计算方法。计算结果表明,该方法较传统比例阻尼的方法更接近精确解,是核电工程抗震分析的一个实用参考应用。     

近场地震竖向分量对LRB基础隔震结构地震响应影响分析

该文主要对比分析了近场区竖向地震动对LRB基础结构动力响应的影响。首先,在ABAQUS有限元软件中建立了较为精确的有限元模型:上部结构采用纤维模型以考虑隔震结构在近场地震作用下可能出现的塑性变形,隔震层采用能反映隔震支座水平和竖向力学性能相互耦联的"Ryan-Kelly"力学模型;同时,综合考虑隔震支座的剪切破坏和拉压破坏以确定支座的破坏界限;在此基础上,分别进行隔震结构在水平地震单独作用和水平竖向地震联合作用下的动力分析,对比分析结果可知:近场区竖向地震动对于隔震支座的破坏模式影响较大,在较大的竖向分量作用下,隔震支座可能会在剪切破坏之前先发生拉压破坏;对于上部结构的动力响应,竖向地震动的影响具有随机性,但同样不可忽略,在某些工况下,考虑竖向地震作用会较大幅度地降低其水平动力响应。     

弹性DEM方法在杆系结构中的应用研究

基于颗粒离散元方法（DEM）,结合杆系结构的特点,提出了一种适于杆系结构问题分析的DEM模型。对颗粒元相应的质量和转动惯量计算公式进行了修正;通过能量等效原理推导了杆系DEM模型分析时弹簧接触刚度系数表达式;将瑞利阻尼引入到DEM方法之中,给出了阻尼常数计算公式并用算例进行了验证。将该方法应用于杆系结构弹性分析,包括静动力与几何非线性大变形问题的空间框架结构和网壳结构等多个算例,计算结果与有限元方法结果吻合良好。DEM方法的特点是将动力分析和几何非线性分析自动包含在运动方程的计算之中,不用组集刚度矩阵,无需迭代求解。杆系DEM模型非常适宜处理杆系结构大变形及动力非线性问题,尤其是在结构进入强非线性之后的模拟分析。     

一种多自由度阻尼体系动力问题的高阶分析方法

传统动力时程直接积分法多采用低阶数值格式,需要选择非常小的时间步距才能获得满足精度要求的动力分析结果。该文将结构动力时程分析的积分求微法推广至多自由度情形,发展了一种具有较高计算效率的多自由度阻尼体系的动力时程高阶分析方法。将相邻的ρ个时步组成一个待求解时段,基于多自由度体系动力响应积分解,以精细积分法结合秦九韶算法计算各时间节点的矩阵指数。逆用微分求积原理发展一种针对含有矩阵指数卷积的高精度数值方法,逐时段求解得到体系各时刻的动力响应。该文方法为动力时程高阶分析方法,全部分析过程仅表现为一系列矩阵乘法及其递推计算,无需求解方程及额外插值,一步计算便可同时获得时段内ρ个时步的全部动态响应(实际动力分析时可取ρ=10~15),具备高效显式算法的特点。由于不必直接计算动力响应积分解中的定积分项,因而避免了对动力方程非齐次项进行特殊处理时所面临的困难。数值试验进一步表明,该方法能很快收敛到精确解,具有较高的计算精度,且数值稳定性好,在较大的时间步距下依然能得到较精确可靠的结果。     

非经典阻尼分布参数系统复振型叠加方法

附加减震装置的一维杆或剪切梁模型属于非连续的非经典阻尼分布参数系统。对于它的动力分析,通常是建立分段的运动方程,然后利用各段动力反应的实振型叠加形式和连续条件进行动力计算。这是一种实模态综合方法,尽管它可以求得近似的动力反应,但反映不出阻尼对整体系统动力特性的影响。为了考虑附加减震装置引起的阻尼和刚度非连续性,基于广义函数理论,建立了整体系统的无量纲化运动方程,利用Laplace变换推导了振型函数和特征值方程,并给出了振型函数的正交条件,最终导出了适用于非经典阻尼分布参数系统的复振型叠加方法。由于特征值方程为复杂的超越方程,为了同时求出多个自振频率,建议了一种基于柯西积分定理的等效多项式方法。这种方法将自振频率转变成了线性代数方程组的求解,更简便、实用。最后以基底隔震分布参数系统为例,展示了复振型叠加法的应用,同时对隔震结构设计得出了有益的结论。给出的复振型叠加法是传统的经典阻尼连续系统实振型叠加法的推广,具有一定理论意义和应用价值。     

桥梁地震需求中随机参数的重要性分析方法研究

桥梁结构的地震需求不仅受地震动随机性的影响,而且受结构中随机参数的影响。为了分析各随机参数对结构地震需求的影响水平,提出采用重要性分析方法对各随机参数进行重要性排序。以常见的简支梁桥及连续梁桥为例,基于结构的非线性动力时程分析,分别采用Monte-Carlo数值模拟方法及核密度估计方法计算得到各随机参数基于方差的重要性测度指标及矩独立重要性测度指标。结果表明,对于中小跨径梁桥,针对桥墩、桥台及支座等不同构件的地震需求,随机参数的重要性排序并不完全相同,但是支座剪切模量、上部结构质量及阻尼比等参数对各构件地震需求的影响水平均排在前列;和Tornado图形法等局部敏感性分析方法相比,重要性分析方法在研究某个参数的重要性时能够考虑其他随机参数的影响,其应用更加合理。