考虑非线性行为相似的高层结构动力试验模型简化设计方法研究

随着物理试验技术的快速发展,结构模型试验可较准确获得结构在环境荷载作用下的动力响应,但在土-结相互作用、区域群体结构、大型复杂结构的风洞、拟静力及动力等模型试验问题研究中,简单、实用、准确的结构试验简化模型仍是研究的重点。针对现有模型简化方法中非线性力学参数标定复杂、试验可行性不足等问题,提出了一种考虑非线性行为相似的高层结构动力试验模型简化设计方法,将模拟高层结构的弯、剪恢复力模型分解为线性和非线性行为的组合,其中结构非线性行为采用库仑摩擦模型模拟,因其参数简单,具有一定物理意义,可直接适用于缩尺模型动力试验研究中。基于上述理论方法,将弯剪耦合模型和平扭摩擦装置有效结合,提出了用于缩尺动力试验的物理模型设计方法及等效刚度、屈服后刚度和承载力等参数的计算方法,并建立了对应的“层间双剪切、双弯曲弹簧”力学计算模型,可通过模型试验结果较好地预测原型结构弹性及非线性阶段的动力响应。以某高层结构为例,通过数值模拟和振动台试验验证了该方法的准确性和可行性。     

结构多轴抗震试验加载系统开发及控制策略研究

开发基于液压伺服作动器的高性能三自由度结构动力试验加载系统,该系统特点为控制精确、功能全面。建立力控制下位移加载混合控制方法,提出拟静力试验中多作动器耦合控制策略。以足尺钢结构立柱为试件,研究应用三自由度结构动力试验系统进行拟静力试验与混合试验具体方法,验证该试验系统在结构动力试验中应用的可行性、有效性。结果表明,通过对多作动器的耦合控制,该试验系统可在拟静力试验中同时实现对立柱试件恒定的竖向力控制及精确剪切型加载。通过基于α-OS法的混合试验证明该加载系统可精确模拟单柱子结构复杂边界条件,对整体坐标与作动器局部坐标变换,可实现多作动器位移协调加载。该结论可推广至多自由度试验系统研究中。     

超高层混凝土框架-核心筒结构试验研究

为了研究超高层框架-核心筒结构在地震激励下的动力响应规律和抗震性能,按照动力相似关系设计了一个1/50缩尺模型,并实施了振动台试验。基于试验结果,对不同设防烈度地震作用下的结构自振频率、阻尼比、振型曲线、加速度动力放大系数、层间剪力、应变和位移响应进行了计算与分析。研究结果表明:随着振动次数的增加,结构自振频率降低,阻尼比基本呈增大趋势,振型曲线幅值减小;实验结束后,结构的动力特性变化不大,说明结构的损伤不大;结构的动力响应与地震强度和地震波的波形有关;结构抗震性能能够满足"小震不坏、中震可修、大震不倒"的抗震设防要求。研究结果可为同类超高层结构的抗震设计提供参考。     

砖石古塔结构振动台试验模型设计与试验验证

为了得到小雁塔的动力特性,考虑结构特点与试验条件,对小雁塔砖石结构进行了振动台试验模型设计。基于结构动力相似基本方程,运用一致相似率和单参数畸变相似理论,对灰砖与砂浆进行了相似设计;采用欠人工质量模型,对配重进行设计,并对地震波的选取与调整进行了分析;对试验模型制作过程中某些细节的简化进行了阐述。通过对试验现象与前3阶动力特征值的对比分析,结果表明,采用所选的振动台试验模型,能够反映小雁塔结构的动力特性,也验证了试验模型的合理性。     

锥柱组合结构水动力噪声试验研究

开展锥柱组合结构水动力噪声试验,研究不同流速情况下结构的水动力噪声规律。基于重力式水洞试验场地,设计锥柱组合结构试验模型与水动力噪声测量试验方案,开展锥柱组合结构水动力噪声试验,对比不同流速情况下锥柱组合结构水动力噪声特性,阐述流速对锥柱组合结构水动力噪声的影响规律;试验表明:在中低流速情况下,锥柱组合结构的水动力噪声较小;但随着流速的增大,其水动力噪声迅速增大;当来流速度达到8.59 m/s时,由于流体与模型产生的空化效应,锥柱组合结构在高频时的水动力噪声声源级增幅较大。     

结构-地基动力相互作用的实时耦联动力试验

振动台试验中如何考虑无限地基辐射阻尼是结构动力试验中的一个难题.该文采用实时耦联动力试验(RTDHT)方法,在试验系统的数值子结构中引入地基集总参数模型,将地基的数值模型计算与结构的物理模型试验实时耦联,从而实现了考虑结构-地基动力相互作用(SSI)的结构振动台动力试验.利用该方法,对一个双层结构考虑结构-地基动力相互...     

网络化结构实验室:桥梁结构远程拟动力试验平台开发与应用

为实现实验室的资源共享和提高试验能力,开发了网络化结构实验室系统。系统包含一个通用的网络通讯平台和基于通讯平台开发的多个远程协同拟动力试验平台。对于桥梁结构,开发了一个简化的单自由度系统拟动力试验平台和一个考虑墩顶不同位移的多自由度远程协同拟动力试验平台。试验平台具有统一的构架,分别由控制中心、真实试验机、虚拟试验机和远程观察器4个模块组成。控制中心组织整个试验流程,进行整体结构数值分析;真实试验机和虚拟试验机分别采用试验设备和数值模拟来获取子结构的恢复力;远程观察器可以获取试验结果。真实试验机和MTS电液伺服系统之间采用一个标准的ActiveX控件进行位移指令的发送和试验反馈数据的采集。利用开发的试验平台进行了系列桥梁结构虚拟和真实远程协同拟动力试验,验证了试验平台的可靠性。     

结构-设备动力相互作用试验研究

根据对6种不同类型的结构-设备组合模型体系在多维地震波作用下的振动台试验研究结果,具体分析了结构-设备组合体系的动力特性、结构与设备的抗震性能、对称结构体系与非对称结构体系的地震反应差别等问题,总结了结构-设备动力相互作用的一般特点。对结构-设备组合体系的抗震设计与进一步理论研究提出了若干建议。     

设备-结构动力相互作用振动台试验方法研究

为了合理评估设备与结构的抗震性能,开展设备-结构动力相互作用振动台试验方法研究。按照分支子结构方法推导设备-结构动力相互作用运动方程,提出了考虑设备-结构动力相互作用振动台实时子结构试验方法,该方法将设备作为试验子结构由振动台加载同时结构作为数值子结构由仿真软件计算联合进行振动台试验,能够考虑设备-结构相互作用对设备抗震性能的影响。设计了四层的钢框架设备-结构动力相互作用缩尺模型,进行各地震动作用下的振动台实时子结构试验与传统整体振动台试验。通过比较发现两种试验方法得到的结果基本吻合在一起,证明提出的振动台实时子结构方法是可靠有效的。试验分析表明忽略设备-结构动力相互作用将影响结构或设备真实的地震反应,特别是对于设备反应的影响更显著。     

考虑地震动空间非一致性的地铁车站结构振动台试验研究

长度超过百米的地下结构受到地震动空间变异性的影响较大,为深入了解粉质黏土地基条件下地铁车站在非一致地震动激励下的动力反应规律,设计并完成了粉质黏土地基条件下非一致地震动激励下地铁车站模型的振动台试验。为模拟粉质黏土地基设计制作了刚性土箱,对模型材料配合比以及钢筋配筋设计等进行了分析研究,根据动力相似理论,开展了纵向非一致地震动激励下地铁车站结构模型的振动台试验,通过对实测加速度、土压力以及构件应力等试验结果的分析,得出地铁车站结构在地震波先后到达不同横截面的动力反应差异、同一横截面各构件的动力反应差异以及地铁车站结构与土体的动力反应差异,得到纵向非一致地震动激励下地铁车站结构的动力反应规律。     

多阶梯被动变阻尼装置设计、试验及结构风振控制分析

针对粘滞阻尼器出力范围窄，磁流变等变阻尼装置需能量输入和反馈控制的局限性，在前期单阶梯被动变阻尼装置研制基础上，设计制作了一种多阶梯被动变阻尼耗能装置（Multi-stage Passive Variable Damping Device，MPVDD），该装置采用被动控制方式，在不同速度区间拥有不同的阻尼系数变化规律。对其进行了相关性能验证试验和基于该装置结构风振控制效果的数值计算，试验和分析表明:装置可根据外部激励速度变化，实时机械式改变阻尼系数，实现宽域值变阻尼力的输出，且不需外部能源供给和状态反馈；安装耗能装置高层结构风振下的加速度和位移响应均得到有效控制，保证了风载下结构的舒适性和安全性要求。所做研究为该装置的应用打下了良好的试验和理论基础。     

地震地面运动作用下结构反应的分析模型

比较了地震地面运动作用下结构反应分析的位移输入模型和加速度输入模型,并对利用这两种模型进行时程分析的数值计算方法进行了讨论。数值计算结果表明,若采用相同的数值积分方法和积分步长,位移输入模型可获得比加速度输入模型更高的计算精度。没有得到某些文献中的结果,即直接利用地面运动位移作为激励会带来更多的误差,欲得到较好的计算精度需采用更小的激励步长和积分时间步长。位移输入模型不仅形式简单、计算方便,而且是分析地震地面运动作用下多点支承结构反应的有效模型。     

独立式石箍窑洞振动台试验研究

根据现场调研,以山西省静乐县典型三连拱独立式石箍窑洞为研究对象,设计制作了缩尺比例为1∶4的模型结构,并对其进行了地震模拟振动台试验,分析了模型结构的自振频率、阻尼比、加速度放大系数、最大相对位移、位移角、底部剪力与耗能等。结果表明：独立式石箍窑洞结构在地震作用下的薄弱部位为边洞洞口处拱顶与中窑腿;随着输入地震波峰值加速度的增大,模型结构自振频率下降,阻尼比上升;模型结构各部位的动力放大系数随着输入峰值加速度的增加变化不大,x向动力放大系数最大处为拱顶,y向动力放大系数最大处为窑顶;输入加速度峰值为70 gal(小震)、200 gal(中震)、440 gal(大震)时,结构最大侧移角均出现在拱顶,分别为1/1618、1/491、1/255,输入峰值加速度为600 gal时,最大侧移角出现在窑顶,为1/102;输入峰值加速度为800 gal时,结构的最大扭转角为0.0037 rad;底部剪力和累积滞回耗能均随着输入地震波峰值加速度的增大而增大。研究结果可为石箍窑洞这一西北传统民居的妥善保护和传承提供科学依据。     

含小净距隧道岩石边坡地震动力特性的大型振动台试验研究

为研究含小净距隧道岩石边坡在地震作用下的动力特性,设计了一个比尺1∶10的含小净距隧道岩石边坡的大型振动台试验模型,试验以汶川波（WC）作为振动台激振波,采用水平（x）向、竖直（z）向和水平竖直（xz）向三种激振方式,研究地震作用下边坡的加速度响应特性和动位移响应特性。试验结果表明:1） 边坡加速度放大系数沿坡面向上呈现出先减小后增大的非线性变化特征,边坡会改变输入地震波的频谱成分,对高频段地震波存在滤波作用。2） x、z单向激振下边坡加速度放大系数随着加载加速度峰值的增大而增大,xz双向激振下则随着加载加速度峰值的增大而减小。3） 以3/5坡高为界,此高度以下,边坡对竖向地震波的放大作用大于对水平向地震波的放大作用,在此高度以上则刚好相反。4） 边坡水平方向位移主要受水平向地震波的影响,且随着激振加速度峰值的增大而增大。5） 以4/5坡高为界,此高度以下动位移峰值增大趋势缓慢,此高度以上,动位移响应峰值急剧增大,且在坡顶处产生最大的水平位移。6） 边坡的动位移响应与地震波的激振方向和测点位置有关。试验研究结果对含小净距隧道边坡抗震设计及其地震动力反应特性的研究有一定的指导意义。     

爆破震动对边坡稳定性影响分析

采用GEO-SLOPE分析软件的SLOPE/W程序和QUAKE/W程序,结合露天矿边坡爆破震动实测数据,对边坡稳定性进行计算.以计算结果为参照来分析、评价爆破震动对边坡稳定性的影响.计算并分析爆破震动对边坡位移、加速度和稳定性系数的影响.     

酸性大气环境下锈蚀钢框架结构振动台试验研究

为研究酸性大气环境下锈蚀钢框架结构的整体抗震性能,设计了2个不同锈蚀程度（S1、S2）的5层空间钢框架结构。利用气雾腐蚀箱对酸性大气环境进行人工模拟并对S2进行加速腐蚀（S1未锈蚀作为对比）。分别对2个结构进行振动台试验,测定了不同锈蚀程度钢框架结构的动力特性及加速度、位移、应变反应和破坏特征,研究了钢框架结构的地震响应随钢材锈蚀程度增大的变化规律。试验结果表明:锈蚀对整体结构的影响主要表现为:结构自振频率下降7.46%~9.76%,阻尼比、位移、应变增大,加速度反应、剪力响应明显降低;S1与S2的破坏形式基本相同,均为钢框架梁端部发生局部屈曲破坏,S2塑性变形程度较S1增大;8度多遇时,S1、S2地震响应相差不显著,随地震强度的增大,两者地震响应差异越明显;研究成果可为进行锈蚀钢框架的安全性评估提供试验支持。     

结构地震反应分析的一种新精细积分法

将Newmark法中常平均加速度法的基本假定与更新精细积分方法结合起来,提出了一种新精细积分法,并应用于结构的地震反应分析中。推导了该方法的计算公式,对其稳定性进行了分析。与更新精细积分法相比,在实现动力微分方程降阶后,矩阵尺度和方程个数减少一半;并且迭代公式直观,可以非常方便地求出结构在地震作用下的位移、速度和加速度反应。提出的方法虽然是条件稳定的,但是其稳定性条件极易满足。算例表明方法的有效性及对地震作用的较好的适应性。     

高强钢组合K形偏心支撑钢框架抗震性能混合试验

为进一步研究混合试验方法的有效性以及高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能,建立了一套基于OpenFresco试验平台的混合试验系统,进行了一个1:2缩尺的3层高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构模型的混合试验。首先通过小工况的预加载研究试验系统的有效性,分析了试验子结构的位移加载精度,作动器加载时差。然后对试件进行正式的混合试验加载,分析了高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构在不同工况下的自振频率、位移反应、水平地震作用、滞回性能以及关键部位应变。结果表明:作动器加载位移峰值与计算位移峰值比较接近,最大相对误差为13.60%,各工况下作动器平均每步的加载时差保持在20 ms左右;随着地震波加速度峰值的增大,模型的自振频率下降,刚度出现了一定的退化。各层的变形主要产生在消能梁段的腹板处,以剪切变形为主。模型结构在多遇地震和罕遇地震作用下的最大层间侧移角分别为1/1068和1/197,符合抗震设计规范对层间侧移角限值。综上,基于OpenFresco试验平台的混合试验系统能够较好的反应结构的地震响应,高强钢组合K形偏心支撑钢框架结构具有良好的抗震性能。     

基于加速度频率响应函数的结构损伤测量方法研究

提出了一种利用加速度频响函数对结构的损伤进行定位和定量分析的方法，该方法分别利用试验测量和模型计算所得的加速度频响函数对动力学模型的刚度矩阵、质量矩阵、阻尼系数进行修正，使修正后模型的加速度频响函数与试验测量所得的相一致，利用其修正的差值即可对结构的损伤进行定位和定量分析。该法具有明确的物理意义，避免了模态分析，便于形成实时监测系统。数值算例检验了方法的有效性和精度。     

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。