Seismic response of highly flexible structure under coupled horizontal and tilt ground motion

对高柔结构受地震动水平-摇摆作用的地震响应问题进行了试验和理论研究。推导了地震动水平-摇摆耦合作用下高柔结构的动力方程,将基础转角位移产生的附加P-Δ 效应以等效水平侧向力的形式添加在动力方程的激励项中。基于水平和竖向单摆式地震仪对地震动摇摆分量灵敏度不同的原理,采用小波分析,从未修正地震动水平分量中获取了摇摆分量。以一电视塔结构为原型,进行了地震动水平、摇摆和地震动水平 摇摆耦合作用下高柔结构的缩尺模型振动台试验,并与理论分析结果进行对比研究。结果表明：振动台试验结果与推导的动力方程理论分析结果基本吻合,验证了理论分析的正确性;由基础转角位移产生的附加P-Δ 效应不仅会增大高柔结构的动力效应,而且会导致高柔结构产生显著的非对称位移,从而使得结构的水平位移大幅增加,在实际的抗震设计计算中应予以重视。     

考虑地震动摇摆分量作用的输电塔线体系响应

为探究输电塔线体系在地震动水平-摇摆耦合作用下的响应,进行了振动台试验和理论分析。地震动摇摆分量通过小波分析的方法从原始地震记录中取得,此方法以单摆式地震仪在水平和竖向的响应差别为基础,通过摇摆倾斜位移的傅里叶谱和竖向速度相似作验证。采用实际输电塔线体系的简化缩尺模型,进行单塔模型和三塔两线模型在顺线向作用下的振动台试验,考察在地震动水平、摇摆及水平-摇摆耦合作用下的结构响应。推导了地震动水平、摇摆加速度和摇摆位移耦合作用下输电塔线体系的动力方程,在方程的激励项中以等效侧向力的形式考虑摇摆转角位移产生的附加P-Δ效应。研究结果表明：理论分析和试验结果吻合较好,证明了理论分析的正确性;地震动摇摆分量不可忽略,其对输电塔线体系的地震响应影响较大,其中由摇摆转角位移产生的附加P-Δ效应会增大输电塔线体系的动力响应,并造成塔体产生一定程度的非对称位移响应;本次试验中,在多维地震作用下,输电线会减弱输电塔主体结构的水平位移和加速度响应,但相对于水平地震动作用,考虑摇摆分量后,输电线对输电塔主体结构响应的减弱效果将会被削弱。     

高层隔震结构提离摇摆耦合理论模型及振动台试验验证

基于受力及变形方程的微分求解给出高层隔震结构考虑支座水平及竖向刚度衰减规律和结构摇摆效应的耦合动力理论模型,并给出摇摆角、压应力及剪应变对隔震层水平及竖向的力学性质影响规律。对高宽比为5及25的隔震结构进行振动台试验研究,试验结果表明大高宽比隔震结构动力特性出现明显振型二阶效应,地震动作用下大高宽比结构隔震层摇摆角响应比小高宽比结构大,在输入地震动峰值06g时两者差值达到5倍以上,且大高宽比结构出现明显的支座受拉现象。对隔震层水平、竖向及摇摆响应的理论计算值和试验实测值进行对比,结果表明理论和试验结果较为一致。进一步分析4种高宽比隔震结构的摇摆角响应,得到摇摆角随高宽比增加而增大的结果。大高宽比隔震结构更易产生摇摆响应,隔震层的摇摆角不可忽视,因此高层结构在隔震设计中应考虑隔震层的摇摆响应和支座受拉的情况。     

远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构振动台试验研究

软土地基条件下土-结构相互作用(SSI)效应会对隔震结构的减震效果及动力特性产生影响。远场长周期地震动使隔震建筑这类长周期结构地震响应强烈,考虑SSI效应后地震响应可能更大。开展软土地基上层间隔震结构模型振动台试验研究,对比分析远场长周期和普通地震动下隔震层和隔震结构的楼层加速度和位移响应,研究远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构动力响应规律及减震效果。结果表明：软土地基具有明显的滤波效应,抑制高频分量,放大中低频分量;普通地震动下层间隔震结构的减震效果较显著,随着输入加速度峰值增大,减震效果降低,而远场长周期地震动下的层间隔震结构的减震效果比普通地震动下的差;基础及隔震层的转动效应明显,隔震层对基础转动有一定放大效应,远场长周期地震动下的隔震结构的放大效应较普通地震动下的明显,并对隔震层位移反应的影响较大。     

地震动摇摆分量对非对称结构的影响

利用MATLAB软件,从汶川地震一地震记录的平动分量计算得到摇摆分量,并采用ABAQUS有限元分析软件,分析两偏心结构的三维模型分别在地震动水平分量和水平加摇摆分量作用下的弹性位移响应.结果表明,地震动摇摆分量对双向偏心结构的影响比单向偏心结构大,在结构的较低层,摇摆分量对结构的位移有减弱作用,而在结构的较高楼层处,摇摆分量对结构位移响应的不利影响显著增加,在这类结构的抗震设计中应对摇摆分量的影响予以足够重视.     

动力P-Δ效应位移增大系数研究

位移增大系数法是弹性状态下考虑P-Δ效应对结构位移放大作用的有效简化分析方法,但地震作用下的P-Δ效应是一个复杂的动力几何非线性及材料非线性问题,目前还没有成熟统一的考虑方法。本文对地震作用下P-Δ效应稳定指标的合理选取进行了讨论,以等效线性化法为理论基础提出了改进的P-Δ效应位移增大系数公式。作为验证,选取单墩体系进行了大量的参数分析工作,统计分析得到了动力P-Δ效应对结构位移反应的影响规律。研究表明,桥梁稳定指标的选取应与桥墩所处的反应阶段相适合,弹性反应阶段与弹塑性反应阶段应选取不同的稳定指标;提出的理论公式与有限元参数分析结果比较吻合,利用等效线性化方法可以合理地进行P-Δ效应分析,所提公式可为规范的进一步修订提供参考。     

考虑隔震支座转动及P-Δ效应的串联隔震结构响应研究

针对叠层橡胶隔震支座与地下室悬臂柱组成的串联隔震体系的P-Δ效应及叠层橡胶隔震支座转动问题,通过简化建立考虑P-Δ效应、叠层橡胶隔震支座转动及悬臂柱柱身变形的上部结构与独立悬臂柱串联隔震体系的力学模型,推导出考虑P-Δ效应及叠层橡胶隔震支座转动共同作用下的串联隔震体系的频率方程,然后通过数值的方法求解该串联隔震体系的频率与振型。根据Betti定律,推导出考虑P-Δ效应及叠层橡胶隔震支座转动的串联隔震体系的广义质量及广义荷载,然后通过振型叠加法求解串联隔震体系的地震响应。最后应用该地震响应求解方法对一实际工程进行仿真及参数分析。结果显示本文考虑P-Δ效应、叠层橡胶隔震支座转动及悬臂柱柱身变形的串联隔震体系动力响应求解方法能方便地计算悬臂柱的变形、柱顶转角以及结构的动力响应;悬臂柱水平名义刚度与隔震支座水平刚度之比较小时,悬臂柱与隔震支座组成的串联隔震体系的地震响应与隔震支座底部固结直接积分法得到的响应差别较大,随着悬臂柱刚度的增加,差别迅速减小,可根据刚度比确定独立悬臂柱的截面;在保证隔震效果的情况下,隔震支座竖向刚度应尽量加大,以减小隔震支座转角;当悬臂柱支撑的隔震结构隔震支座底部按固结计算时,P-Δ效应主要影响下部独立悬臂柱的响应,计算独立悬臂柱的响应需考虑P-Δ效应的影响。     

剪切变形对基桩P-Δ效应的影响

给出了小剪切变形下的基桩P-Δ效应和大剪切变形下支座P-Δ效应计算的杆单元刚度矩阵方程。假定杆单元弯曲变形位移函数为三次幂函数,剪切变形函数为线性函数,根据有限元法一般原理,推导了一种同时计入竖向力径向剪切分力剪切变形和水平力剪切变形的P-Δ效应杆单元刚度方程,推导了一种仅计入竖向力径向剪切分力剪切变形而忽略水平力剪切变形的P-Δ效应杆单元刚度方程,推导了一种仅计入水平力剪切变形而忽略竖向力径向剪切分力剪切变形的P-Δ效应杆单元刚度方程。计入水平力剪切变形而忽略竖向力径向剪切分力剪切变形的P-Δ效应杆单元可良好的模拟支座在大剪切变形下的偏心工作特性,能实时计入其偏心弯矩影响,为实时计入支座偏心特性的结构动静力分析提供了理论支撑。最后通过自编MATLAB程序进行算例分析,结果表明,计入支座大剪切变下的P-Δ效应后,基桩内力位移和地基土压力均显著增大。基桩自身剪切变形对桩身内力位移和地基土压力影响较小,可以忽略。     

高层隔震结构提离摇摆耦合动力理论模型及地震响应分析

针对地震作用下高层隔震结构摇摆倾覆问题,提出考虑隔震层刚心变动的摇摆提离耦合动力理论模型,给出了地震响应提离摇摆的3个界限(即临界提离受拉界限、摇摆界限和倾覆界限)公式。通过大高宽比隔震结构振动台试验,进行不同峰值加速度地震波作用下试验结果分析,得到在地震动峰值加速度0.4g输入工况中,结构在El Centro波下进入提离受拉状态,在Taft波作用下,结构响应较大,提前进入摇摆状态;而在峰值加速度0.6g输入工况中,两条波作用下结构均进入了摇摆界限,尚未进入倾覆状态,隔震层位移未超出GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》限值,但此时支座的拉伸应变均已超过10%的安全界限,属于危险状态。对比分析摇摆模型与试验得到加速度及滞回曲线,可知理论模型与试验结果具有较好一致性。最后,采用数值分析方法,研究了提离摇摆耦合动力模型对不同高宽比高层隔震结构地震响应的影响,得到不同地震动峰值对不同高宽比结构的3个临界状态的影响规律,即摇摆提离模型的扭转角与结构高宽比和输入地震动峰值加速度有较大关系,其中地震动峰值加速度的变化影响更为显著。     

基于静力试验的梁端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架地震响应数值分析

梁端铰型受控摇摆钢筋混凝土框架结构（CR-RCFB）是一种新型可恢复功能结构。首先介绍了CR-RCFB结构的振动台试验,试验后结构主体构件没有损坏,仅可更换的耗能装置失效;其次对CRRCFB结构进行低周反复加载试验,得到节点的弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线和转动刚度,并将实测力学参数提供给数值分析模型;采用ABAQUS软件建立了CR-RCFB无控结构与有控结构的有限元数值计算模型,对上述模型进行地震动时程分析,得到了结构动力特性和不同地震作用下的加速度响应和位移响应,并与振动台试验结果进行对比分析。研究结果表明,将静力试验得到的实测参数输入计算模型得到的数值模拟结果与振动台试验结果吻合良好。     

长周期地震动下软土地基的偏心基础隔震结构振动台试验研究

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈,且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大,而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应,极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响,对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后,周期延长比低于刚性地基结构体系,使减震效果下降;SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应,但在隔震层会出现较大扭转角;与普通地震动相比,远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大,隔震层位移可能超限,总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全,应考虑SSI效应后进行结构设计,且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。     

考虑SSI效应及支座转动的隔震体系性能研究

土-结构相互作用对结构的地震反应有着重要的影响。隔震支座竖向变形引起的隔震层转动会加剧上部结构的摇摆,进而放大结构的地震响应。提出基于Timoshenko理论的考虑SSI效应及隔震层转动影响的隔震结构通用计算模型,推导并求解结构运动方程,采用虚拟激励法进行随机响应分析,进一步研究隔震层转动刚度、土体参数等对隔震结构地震响应的影响规律。分析表明：SSI效应降低了隔震效果,其对隔震结构楼层转角位移放大的影响与土-结构刚度比有关。隔震层转动刚度变化对隔震结构顶层加速度、基底倾覆力矩等影响较小,但对结构楼层转角位移有较大影响,隔震层转动刚度取值较小时,上部结构楼层转角甚至会出现大于抗震结构的情况。     

基于小波分析的地震动转动分量研究

基于强震时断层附近地面地震动转动分量对单摆式地震仪水平和竖向摆造成的响应差异性,建立采用小波分析获取地震动转动分量的方法。首先采用离散小波变换探讨未修正地震动水平和竖向分量的局部时频特性;进而在水平和竖向分量低频差异性的基础上,建立新的阈值处理方法对水平分量的小波系数进行处理,从而获取了地震动转动分量;最后,通过振动台试验验证了基于小波分析的地震动转动分量获取方法的正确性和精度。结果表明:基于小波分析获取的地震动转动分量的残余倾斜位移与实测的基本吻合,且过滤掉转动分量的水平分量傅里叶谱的低频部分与竖向分量的较为相似;振动台试验验证了基于小波分析获取地震动摇摆分量方法的正确性,且相较于基于傅里叶分析的方法,结果与实际情况更加吻合,精度实现了大幅提高。     

超高层钢管混凝土重力柱-混凝土核心筒结构振动台试验研究

提出一种新型的钢管混凝土重力柱-核心筒结构体系,通过地震模拟振动台试验验证其抗震性能。以实际超高层钢管混凝土柱框架-混凝土核心筒建筑结构为参考,将钢框架梁与柱或核心筒的刚性节点改为螺栓连接的铰接节点,简化结构并制作1/40的缩尺结构模型,采用4条地震动记录进行不同工况的振动台试验,分析结构的震损特点、动力特性、侧向位移、层间位移角、扭转角、地震惯性力、楼层剪力和倾覆弯矩等。结果表明：震损主要出现在下部楼层的混凝土楼板与柱连接、楼板与核心筒连接、楼板与钢梁连接、核心筒角部等部位;基本自振周期和阻尼比随震损增加而增大,动力放大效应减小,长周期地震动反应显著,侧向变形和层间位移显著增大;外排架柱的层间位移主要为不产生内力的刚体转动,核心筒层间位移角达1/26,超过规范JGJ 3—2010中规定的框架-核心筒结构体系不倒塌限值的3.85倍而未出现倒塌;外排架抗扭刚度小,结构扭转反应由核心筒主导;地震惯性力和楼层剪力受地震长周期分量的影响小,随结构损伤增大楼层内力增加幅度减小。     

超高层钢管混凝土重力柱-混凝土核心筒结构振动台试验研究

提出一种新型的钢管混凝土重力柱-核心筒结构体系,通过地震模拟振动台试验验证其抗震性能。以实际超高层钢管混凝土柱框架-混凝土核心筒建筑结构为参考,将钢框架梁与柱或核心筒的刚性节点改为螺栓连接的铰接节点,简化结构并制作1/40的缩尺结构模型,采用4条地震动记录进行不同工况的振动台试验,分析结构的震损特点、动力特性、侧向位移、层间位移角、扭转角、地震惯性力、楼层剪力和倾覆弯矩等。结果表明:震损主要出现在下部楼层的混凝土楼板与柱连接、楼板与核心筒连接、楼板与钢梁连接、核心筒角部等部位;基本自振周期和阻尼比随震损增加而增大,动力放大效应减小,长周期地震动反应显著,侧向变形和层间位移显著增大;外排架柱的层间位移主要为不产生内力的刚体转动,核心筒层间位移角达1/26,超过规范JGJ 3—2010中规定的框架-核心筒结构体系不倒塌限值的3.85倍而未出现倒塌;外排架抗扭刚度小,结构扭转反应由核心筒主导;地震惯性力和楼层剪力受地震长周期分量的影响小,随结构损伤增大楼层内力增加幅度减小。     

长周期地震波作用下超高层框架-核心筒减震结构动力响应分析

选取长周期分量明显的2组地震动记录作为输入,以一超高层框架-核心筒结构为背景,进行了7度多遇地震作用下的弹性分析,并与相应水准普通地震动记录输入下的地震响应分析结果进行了比较。结果表明:长周期地震动输入下结构的地震响应指标如基底剪力、层间位移角和加速度放大系数远比普通地震动的大,采用常规阻尼器已很难满足减震设计要求。基于黏滞阻尼器力学特性,提出了高性能位移放大型阻尼器,建立了理论公式,并对附加位移放大型阻尼器和普通阻尼器的超高层结构在长周期地震动作用下的地震响应进行对比分析。研究结果显示,位移放大型阻尼器对结构内力、位移和加速度的减震效果要明显优于普通阻尼器,能更有效地降低超高层结构在长周期地震动作用下的动力响应。     

梁端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能振动台试验研究

受控摇摆式钢筋混凝土框架(CR-RCF)采用梁柱铰接节点,后张预应力钢筋提供结构整体恢复力,并采用层间阻尼器耗散地震能量、控制结构整体位移。通过模拟地震振动台对比试验,研究受控摇摆式钢筋混凝土框架的抗震性能。介绍了CR-RCF结构的摇摆机制及摇摆节点的构造形式,设计了受控摇摆式钢筋混凝土框架和常规框架两个振动台试验模型,输入El Centro地震波,得到了不同地震动峰值加速度下结构的动力响应,对比分析了两个模型的振动台试验结果。结果表明：CR-RCF结构较常规框架具有更小的抗侧刚度,故其地震加速度响应更小;CR-RCF结构设置了层间阻尼器耗能装置,地震作用下的结构整体位移得到有效控制;在经历罕遇地震作用后,仅层间阻尼器进入屈服状态,主体框架承重构件保持完好,无任何损伤,表现出优异的“免损伤”特征。     

基于摇摆柱的古建筑木结构柱脚节点力学模型研究

在古建筑木结构中,木柱通常直接平摆浮搁于础石之上,形成只有受压而无受拉能力的柱脚节点。在地震作用下,木柱会发生摇摆,柱脚为半刚性节点。为研究地震作用下古建筑木结构柱脚节点的摇摆机理,对柱脚节点的受压状态进行分析,并对木柱的摇摆过程进行分类,给出了不同摇摆过程的判定条件,建立了柱脚节点的弯矩-转角（M-θ）力学模型;通过与柱脚节点的弯矩-转角曲线试验结果进行对比,验证了该力学模型的正确性;将该M-θ力学模型应用于古建筑木结构的地震分析中,分别建立了柱脚半刚性连接和铰接的数值模型,并与振动台试验结果进行对比。研究结果表明：木柱的摇摆过程可分为全截面弹性摇摆、小截面弹塑性摇摆、大截面弹塑性摇摆以及全截面弹塑性摇摆等4类;采用M-θ力学模型得到的柱脚节点弯矩-转角曲线计算结果与拟静力试验结果的差异在10%以内;与铰接的柱脚节点相比,采用柱脚半刚性连接计算的古建筑木结构在地震作用下的动力响应更接近振动台试验结果,结构的加速度峰值、位移峰值与振动台试验结果的差异均在20%以内。     

超高层建筑风致振动的P-Δ效应

基于超高层建筑的质点系简化模型,构造等效水平力偶代替重力引起的附加倾覆弯矩,并将该水平力偶项转化为一个附加刚度矩阵,只需要将原有刚度矩阵减去该附加刚度矩阵,即可实现常规风振响应分析方法框架下的考虑P-Δ效应的结构风振响应分析。将上述方法应用于432m高的广州西塔风振响应分析中,结果表明:考虑P-Δ效应后,在敏感风向角下的顶部峰值位移、峰值加速度和基底倾覆弯矩均比不考虑P-Δ效应时有显著增大,说明超高层建筑风致振动的P-Δ效应应该得到足够的重视。     

考虑竖向地震作用的高桥墩P-Δ效应分析

由50年设计基准期的水平地震系数推导出4类桥梁水平地震系数,按一般规律,可求出不同类型桥梁相应的竖向地震系数。选择满足几何边界条件和力学边界条件的变形曲线,用能量方法推导出具有通用性的变形公式,进而可求出墩顶位移与墩底弯矩。与不计P-Δ效应的计算结果相比,考虑P-Δ效应的位移与弯矩都在很大程度上得到放大,特别是在罕遇地震作用下,效果更加明显。对于高柔性桥墩,尚需要考虑高振型和材料非线性的影响。