功率谱二次正交化法在随机地震动响应的应用

针对平稳激励下线性结构随机地震动响应方差和谱矩时频域法无解析解或时域法解析解复杂的问题,提出了结构响应功率谱的二次正交化法,并成功获得线性结构基于李鸿晶随机地震谱的系列响应（结构层位移和层间位移）的 0~2 阶谱矩和方差的简明封闭解。综合虚拟激励法和复模态方法,提出了线性结构频率响应特征值函数的二次正交法,即将频率响应特征值函数表示为振动复特征值和频域变量二次方和的线性组合;以李鸿晶随机地震动谱为例,基于留数定律获得该谱的二次正交式,进而获得结构地震动系列响应功率谱的二次正交式;获得了建筑结构随机地震动系列响应方差及 0~2 阶谱矩的统一简明封闭解。利用本文方法对一单自由度结构和一多自由度TMD 耗能结构地震动响应进行分析,并与虚拟激励法进行了对比研究,结果表明本文所提方法为封闭解且可用于验证虚拟激励法谱矩分析时的精度。此外,本文方法可适用于各种线性结构基于各类平稳随机地震谱的随机响应封闭解的分析。     

多维非平稳随机地震响应分析的混合型精细时程积分

在一维虚拟激励法的基础上,通过激励功率谱的分解,建立多维非平稳地震激励作用下结构随机响应的虚拟激励法。根据演变随机激励的调制函数取不同形式,推导不同的特解精细积分格式,并混合应用这些格式于结构响应时变功率谱分析,可获得高效精确的数值结果。最后,通过算例讨论地震动各分量相关性对非对称结构地震响应的影响,得到一些有意义的结论。     

非负矩阵分解在地震作用下结构随机响应分析中的应用

地震动作为一类典型的非平稳随机过程可由演变谱刻画其能量的时-频分布。然而,演变谱的时-频耦合特性却限制了经典谱表示法的模拟效率。为提高非平稳地震动模拟效率,简化非平稳地震作用下结构随机响应分析,提出了基于非负矩阵分解(nonnegative matrix factorization,NMF)的地震动演变谱解耦方案,使结构在非平稳地震作用下的响应计算简化为各项均匀调制激励下的结构随机响应叠加。分析结果表明,基于非负矩阵分解的地震动演变谱解耦具有良好的精度,快速傅里叶变换技术的引入提高了经典谱表示法的模拟效率,模拟样本自相关函数与目标值吻合良好,非平稳地震作用下结构随机响应频域分析得到简化。     

基于部分分层抽样的高墩桥梁随机地震响应分析EI北大核心CSCD

为了表征桥梁结构不确定性和随机参数相关性对桥梁结构抗震性能的影响,从概率角度对桥梁进行抗震性能分析,基于部分分层抽样原理建立了时-频非平稳地震作用下桥梁非线性随机地震响应分析方法。基于地震动演化功率谱,采用谱表示方法生成非平稳地震动样本,并采用基于正交函数的思想对谱表示方法中的随机变量进行模拟,通过两个基本随机变量表征地震动的不确定性;采用基于数论的部分分层抽样方法对地震动-结构随机变量抽样,从而对桥梁非线性随机地震响应进行模拟,减小桥梁随机地震响应分析中的抽样方差;以一座实际高墩连续刚构桥为数值算例,对其进行了非线性随机地震响应分析,详细研究了桥梁结构不确定性和随机参数相关性对其地震可靠度的影响。研究结果表明:随机地震作用下,桥梁随机地震响应是典型的零均值非平稳随机过程,从地震动开始到结束,桥梁结构地震响应概率密度曲线存在由窄边宽,再由宽变窄的演化过程;随机地震作用下,桥梁结构关键响应的平均峰值因子存在一定差异,其通常在1.8~2.2变化;桥梁结构不确定性和随机参数相关性对高墩桥梁地震响应极值分布和地震可靠度的影响较为显著,忽略桥梁结构的不确定性和随机参数相关性将高估桥梁结构的地震可靠度。     

随机地震作用下TMD等效附加阻尼比研究

针对随机地震作用下TMD给结构提供的附加阻尼比展开研究。随机地震动采用过滤白噪声Kanai-Tajimi功率谱模型,并将Kanai-Tajimi功率谱模型描述的场地过滤效应表示成传递函数形式,进而推导出结构相对于基岩的位移动力放大系数。然后,结合SRSS方法,以结构位移响应均方值作为评价准则,提出了随机地震作用下TMD提供给结构任意阶模态的等效附加阻尼比理论公式。最后,以某景观塔作为工程算例展示了TMD等效附加阻尼比的求解流程,并验证了该等效附加阻尼比公式的有效性。算例分析结果表明,使用等效附加阻尼比指标来评估TMD减震性能是合理有效的,且使用推导的TMD等效附加阻尼比理论公式能更准确地评估TMD对结构位移响应的控制效果。     

基于规范反应谱的全非平稳地震动过程模拟

在经典的两类演变功率谱模型基础上,建议了另两类全非平稳地震动过程的演变功率谱模型。为生成与规范反应谱一致的全非平稳地震动时程,将地震动加速度过程分解为两个独立的随机过程,其一为已知演变功率谱的全非平稳地震动过程,其二为修正的非平稳地震动过程。对于第一个随机过程,应用非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法,即可生成代表性时程集合及其平均反应谱。对于第二个随机过程,其演变功率谱是由调制函数和功率谱密度函数组成,而功率谱密度函数则由第一个随机过程的平均反应谱与规范反应谱的拟合误差计算得到。通过对第二个随机过程演变功率谱的修正,可使合成后的全非平稳地震动过程的平均反应谱与规范反应谱拟合一致。最后,算例验证了此方法的有效性和实用性。     

全非平稳地震动过程的概率模型及反应谱拟合

在强度调制函数基础上,发展了一类全非平稳地震动过程的时-频调制函数。结合平稳地震动过程的功率谱密度函数,建立了全非平稳地震动过程的演变功率谱模型,并根据建筑抗震设计规范确定了模型参数的取值。应用非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法,生成具有完备概率的非平稳地震动加速度过程的代表性时程集合,进而计算代表性时程的平均反应谱。为保证计算平均反应谱与建筑抗震设计规范反应谱的一致性,建议了反应谱容许误差的双重控制准则,即平均相对误差和最大相对误差。研究表明,通过对演变功率谱的3次迭代修正,即可实现计算平均反应谱与规范反应谱拟合的目的,为应用结构随机动力学进行实际工程结构抗震设计提供了依据。     

地震波随机模型对隔震结构地震需求分析的影响

利用谐小波变换对实际强震记录的时变谱进行估计,并统计分析了与抗震规范相容的3类不同场地上地震波的时变谱特征,利用均匀调制非平稳随机模型和时变修正Kanai-Tajimi非平稳随机模型模拟地震波的时变谱,把非线性函数的参数识别问题转化成求解无约束优化问题,利用拟牛顿迭代法求得最优解,得到3类不同场地上这两种模型的参数的具体取值以及参数函数集的具体表达式;研究了以谱强度因子的平方根为强度参数的双向地震动作用下隔震结构概率地震需求分析的步骤,对比了不同的地震动随机模型对隔震结构概率地震需求分析的影响,研究发现在小震作用下,地震动随机模型对隔震结构的地震响应影响不大,但在大震作用下,地震动随机模型对结构响应有较大影响,而且,对于不同场地类别,地震动随机模型对隔震结构概率地震需求分析的影响也不相同.     

多个车辆荷载作用下桥梁演变随机振动分析

将桥梁简化为两端简支的欧拉-伯努利梁模型,考虑两自由度车辆移动系统,以桥面结构表面不平度功率谱密度函数作为输入,建立了多个移动车辆系统-桥的耦合力学分析模型。通过状态空间理论和演变随机过程一般理论,应用模态分析法,给出了整个车-桥耦合系统演变随机响应的求解方法,推导得到了桥梁截面位移和截面弯矩均方值响应和演变功率谱密度函数的理论公式,并结合算例分析,讨论了在不同桥梁跨度、不同桥面等级、不同车辆移动速度下桥梁跨中位移均方根值响应的变化规律。     

结构在水平与竖向随机地震同时作用下的相关函数和谱密度

对单自由度结构在水平与竖向地震同时作用下的随机稳定性、响应及其相关函数和谱密度函数进行系统研究。首先利用Stratonovich和It随机微分方程与响应矩微分方程的互相关转化关系,建立了结构响应矩方程;然后根据Hurwitz随机稳定准则,获得了结构一阶和二阶响应矩渐近稳定的解析判别式;继而,利用复模态法获得了结构响应二阶矩的解析瞬态解和平稳解;最后利用It随机微分方程解具有的非可料函数性质,获得了结构位移、速度响应的自相关函数、互相关函数以及谱密度函数、互谱密度函数的解析解,给出了算例,并综合分析了各种参数对结构响应、稳定性以及相关函数和谱密度函数的影响。     

近断层速度脉冲对钢筋混凝土框架结构地震反应的影响

在加速度反应谱一致的前提下,研究了近断层速度脉冲的工程特性。首先,构造两组加速度反应谱一致的地震动时程:第一组时程为实际强震观测记录且含有明显的速度脉冲;第二组时程为以第一组时程的反应谱为目标谱合成的模拟地震动时程,在合成过程中,利用窄带时程叠加法,通过控制峰值速度可以使得这些时程不再含有速度脉冲。其次,通过分析钢筋混凝土框架结构在这两组输入地震动作用下动力响应的差异,研究了在加速度反应谱一致的前提下,速度脉冲对结构地震反应、尤其是弹塑性地震反应的影响。分析结果表明:对于层剪力、层间位移、各层最大位移等结构动力响应参数,当结构地震反应进入弹塑性阶段后,与不含速度脉冲地震动作用下的反应相比,在含有速度脉冲的地震动作用下,结构的反应有较大幅度的增大,尽管这两组输入地震动的加速度反应谱相同;在这种情况下,加速度反应谱将不能充分地体现出速度脉冲对结构地震反应的影响。     

一种平稳地震地面运动的改进金井清谱模型

该文提出了一种描述平稳地震地面运动过程随机特性的功率谱密度函数模型。假定基岩地震动为某种过滤白谱过程, 通过两个特定频率参数控制该过滤白谱的低频和高频含量, 从而实现对基岩地震动物理特性的模拟。利用金井清滤波器对基岩过滤白谱进行过滤, 得到地震地面加速度的谱密度模型。通过数学推导解释了该模型的物理机制, 选择汶川地震强震观测数据拟合模型中的相关参数, 给出了汶川地震场地相应的模型参数建议取值。该文模型在物理机制上可以认为是金井清谱模型的改进方案, 但修正了金井清谱模型在零频处奇异的缺陷。     

简谐波地震动反应谱研究

简谐荷载作用下单自由度体系的动力反应是典型的结构动力学问题,也是地震工程中研究结构地震反应的基础。对简谐地震动反应谱特性的研究有利于认识地震动、尤其是近场地震动的特性以及它对结构地震反应的影响。基于结构动力学的基本理论,推导了简谐地震动作用下,单自由度体系的理论解、瞬态解和稳态解。分析了简谐地震动全解反应谱、稳态解反应谱和瞬态解反应谱的特性并讨论了它们之间的关系。研究结果表明:在简谐地面加速度作用下,高频地震动也可以引起长周期结构产生很大的位移反应,且最大位移反应出现在结构的瞬态自由振动阶段。这不仅揭示了近场地震动对结构反应的重要影响,也从另一个侧面揭示了近场地震动的潜在破坏作用,而且提出了在近场情况下结构抗震不可忽略结构的瞬态自由振动影响的观点。     

远场类谐和地震动下的高层结构地震响应与损伤机理分析

远场类谐和地震动是一种特殊的长周期地震动,其较大幅值的类谐和波可能给高层结构带来不利影响。通过对远场类谐和地震动的类谐和波段进行分析,探讨类谐和波段与加速度反应谱的第2波峰之间的关系;然后对某高层框筒结构的实例模型进行弹塑性动力时程分析,分析结构的地震位移和内力响应、周期变化曲线、损伤云图、压缩损伤指数以及结构顶点位移响应的功率谱密度,并讨论结构损伤的程度、时刻和位置与类谐和波的关系。结果表明:类谐和波段与加速度反应谱的第2峰值存在一一对应的关系;高层结构在6度中震强度的远场类谐和地震波下的地震位移响应超过了7度大震强度的普通地震波下的值;幅值较大的类谐和波是导致结构刚度迅速衰减的主要原因;结构损伤最严重的时刻并非发生在地震最大能量输入时刻,而是推迟到了类谐和波段,且结构损伤最严重的位置呈现向结构底部移动的趋势。     

等效线性的基础隔震建筑的动力响应

利用随机等儿线性化方法,本文分析了地震激励下多隔震建筑结构的动力响应。文中采用的地震波为过滤高斯白噪声,上部结构及叠层橡胶隔震器为线弹性,铅阻尼器为双线性恢复力模型,对隔震系统线性化后,推导了隔震结构的相对位移及绝对加速度的响应有达式,并通过算例讲座了地震波输入功率谱密度及场地卓越频率对结构响应的影响。     

拱坝地震动随机响应分析

将河谷地震动随机场半解析展开为正交函数随机过程及采用简化的地基模型,应用振型分解法可直接求得拱坝－地基－库水系统的各种随机响应及功率谱密度。本文方法不仅考虑地震动的空间随机性,山体放大作用及行波效应,而且考虑非比例阻尼的拱坝振型之间的相关性;地震动随机场只须分解一次,计算过程简单,是大型拱坝结构随机分析的一种有效方法。     

含液饱和多孔弹性梁随机振动

据不可压多孔弹性介质理论及随机振动理论,建立孔隙流体沿轴向扩散情形下含液饱和多孔弹性梁在集中荷载作用下横向弯曲随机振动方程。分析梁位移响应及截面固相弯矩响应,获得输入集中荷载为平稳随机过程时简支梁位移、弯矩响应的功率谱密度函数及方差等数字特征。作为数值算例,考虑理想白噪声平稳随机集中荷载作用下的简支饱和多孔梁,分析其位移响应及界面固相弯矩功率谱密度函数,讨论流-固耦合项对梁位移及弯矩的减振效果。结果表明,通过控制孔隙中流体的渗透系数可达到控制梁的随机振动目的。     

含液饱和不可压多孔弹性板的随机振动

在不可压多孔弹性介质理论和随机振动理论的基础上,以Kirchhoff假定和小变形为前提,根据饱和不可压多孔板弯曲的数学模型,针对孔隙流体沿面内扩散的情形,建立了含液饱和多孔弹性板在集中荷载作用下横向弯曲的随机振动方程。针对四边简支矩形板,对板内位移响应和截面固相弯矩响应进行了分析,分别得到了输入集中荷载为平稳随机过程时简支板的位移响应和弯矩响应的功率谱密度函数和方差等数字特征。作为数值算例,考虑一理想白噪声平稳随机集中荷载作用下的简支饱和多孔板,对其位移响应和界面固相弯矩的功率谱密度函数进行了分析,并讨论了流-固耦合项对板位移以及弯矩的影响规律。结果表明,通过调整孔隙中流体的渗透系数可以达到控制板随机振动的目的。     

结构-土相互作用体系的地震作用取值——基于规范地震动模型的复模态时域法

对多自由度结构-土相互作用体系基于规范地震动模型的复模态时域法的地震响应问题进行了系统研究。首先建立了结构运动方程，针对所得运动方程为非对称质量与非经典阻尼矩阵的情况，用复模态法解耦，然后采用与新抗震规范地震动参数一致的Clough-Penzien非平稳随机地震动模型进行随机地震响应分析，获得了体系相对位移方差的时域解。从而可得等效平稳化方差及其峰值，由此便可以得到结构的地震作用取值。晟后，通过一个例子来说明结构-土相互作用体系的地震响应和地震作用取值的计算方法，同时给出了由规范的反应谱法得到的基础固定结构的各质点位移和地震作用取值。     

非平稳地震动过程模拟的谱表示-随机函数方法

在Priestley演变谱理论的基础上,采用随机函数的思想,建议了一类新的全非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法。在谱表示-随机函数方法中,实现了用2个基本随机变量即可精确表达原随机过程的目的。通过选取基本随机变量的离散代表点集,可以直接由演变功率谱密度函数生成具有给定赋得概率的代表性样本集合。以全非平稳地震动加速度过程的演变功率谱为例,验证了本文方法的有效性和优越性。最后,结合概率密度演化方法,进行了Duffing振子的随机地震反应分析与抗震可靠度计算。