动力P-△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-△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-△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-△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-△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-△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-△效应分析,所提公式可为规范的进一步修订提供参考.     

考虑竖向地震作用新型三维隔震结构时程分析

竖向地震作用会引起额外的水平力并增大结构的P-Δ效应。本文将竖向地震作用引入到水平运动微分方程中,采用MATLAB求解非线性微分方程,研究了竖向地震作用对水平地震反应谱的影响,并在此基础上考虑竖向位移对新型三维隔震墩水平刚度的影响,进行了新型三维隔震结构非线性时程分析。研究结果表明:考虑竖向地震作用引起的P-Δ效应后,结构自振周期随时间变化,加速度反应谱值减小而位移反应谱值增大;结构高度越小、结构周期越长,竖向地震作用对反应谱的影响越大;考虑竖向地震作用及竖向位移对弹簧水平刚度的影响后,新型三维隔震结构加速度反应减小、位移反应增大,新型三维隔震结构减震系数可以控制在0.5以下。     

等效线性化方法在RC框架结构设计中的应用

为研究罕遇地震作用下等效线性化方法在RC框架结构设计中的应用,基于现有的结构非线性响应的等效线性化方法,通过与RC框架结构非线性时程分析结果对比,分析不同的等效线性化方法计算罕遇地震作用下结构地震响应的有效性,并确定等效线性化参数的取值;按基于等效线性化的设计方法及现行规范方法分别设计了分析算例,通过非线性动力时程分析,对比了框架结构实现预期强震破坏模式的效果。结果表明：同时考虑刚度折减和附加阻尼的割线刚度等效线性法可更好模拟结构强震非线性反应;基于等效线性化的设计方法可更好地实现结构在罕遇地震作用下的预期破坏模式。     

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。     

钢筋混凝土细长柱结构在中震作用下若干问题研究

以苏州工业园区职业技术学院新校区教学楼为背景,首先采用两种可以考虑二阶效应影响的计算方法以及拟合公式分别计算在中震弹性作用下细长柱的配筋,并和η-l0计算法的结果进行比较。以细长框架柱在地震作用下的位移作为已知条件,求出细长柱的二阶效应变形曲线,再分别求出曲线的最大曲率和P-Δ,P-δ效应值。通过上述分析探讨钢筋混凝土细长柱在地震作用下的受力特征及变形特点,为类似结构的设计及抗震分析提供参考依据。     

考虑地震动摇摆分量作用的高柔结构响应

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。     

长周期超高层钢筋混凝土建筑P-Δ效应分析与稳定设计

应用解析解和能量法讨论了等截面均质悬臂杆模型以及基于顶点位移等效原理的等效刚重比的理论缺陷和不确定性,明确指出带P-Δ杆或P-Δ柱的力学模型是对结构进行P-Δ效应数值分析的最理想模型。按我国规范,提出按小震和大震二阶段进行稳定设计的学术观点。建议在基于承载力的小震设计中,将使用有限元法得到的屈曲因子直接作为判别结构整体稳定性的设计指标,使用"直接法"确定放大的位移和弯矩。在基于变形的大震设计中,同时考虑材料非线性和构件几何非线性,计算塑性(广义)变形,评估结构的抗震性能目标。     

抗弯钢框架P-Δ效应稳定系数的应用

为分析抗弯钢框架中的P-Δ效应,提出2个稳定系数。在弹性阶段,弹性稳定系数θme是框架的基本周期、振型的函数。在塑性阶段,非弹性稳定系数θmi仍与基本周期、振型有关,通过回归分析得到。结果表明:使用这两个稳定系数,可精确模拟考虑P-Δ效应的钢框架荷载-位移曲线,包括:初始刚度、强度、后屈服刚度等。以22个抗弯框架为例,验证稳定系数的正确性。     

索网结构非线性地震反应分析实用方法

采用现有方法分析索网结构非线性动力反应时,仅能对矩形平面索网结构建立等效单自由度(ESDF)模型,地震作用下,此类结构的响应只能采用时程法进行计算。基于结构整体刚度参数的概念,结合模态推覆分析方法,建立了任意形状索网结构的非线性ESDF模型,该模型刚度特性与Duffing系统相同。采用能量平衡法,导出了索网结构非线性ESDF体系的等效线性刚度ke与位移反应d的关系;结合ESDF体系的等效质量,将加速度-周期(a-T)格式的设计反应谱变换为刚度-位移(k-d)格式;与ke-d关系式联立求解得出ESDF体系的非线性地震反应。该方法在线性设计反应谱的基础上,合理考虑了索网结构的非线性刚化效应。数值算例表明,相对于线性振型叠加反应谱法,该方法具有更好的适用性。     

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。     

近断层速度脉冲地震作用下位移反应谱的研究

以424条速度脉冲记录作为统计样本,得到了弹性位移谱和等延性位移谱,并建立了与阻尼比、场地类别相对应的弹性位移谱的计算公式,分别计算了考虑及未考虑M效应影响的等延性位移谱,并进行对比分析,然后得到了等延性位移谱考虑P-△效应的修正公式,研究结果对近断层速度脉冲地震作用下结构的抗震设计具有很好的应用价值。     

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。     

中高层混合结构弹塑性变形简化计算方法

将中高层混合结构简化为一竖向弯曲梁与一竖向剪切梁,考虑其协同工作,并考虑重力二阶效应的影响。分别采用弹性设计反应谱和增大系数方法计算结构弹性位移和弹塑性位移,进而计算结构在多遇地震下的弹性位移以及罕遇地震下的弹塑性位移。对一20层混合结构算例进行分析,结果显示:采用该方法计算所得地震作用下的横向变形同"精确"分析方法所得的结果很相近,满足结构初步设计阶段要求。     

峰值位移输入对单自由度体系地震反应的影响

在加速度反应谱与峰值速度不变的条件下,研究输入地震动峰值位移对单自由度体系动力反应、尤其是弹塑性动力反应的影响。利用在时域内叠加窄带时程的方法合成加速度反应谱和峰值速度相同而峰值位移相差1倍的两组人工地震动时程,按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的要求,将合成的输入地震动采用不同设防烈度多遇地震的峰值加速度标定,进行体系的弹性分析。结果显示,输入地震动峰值位移的变化对弹性动力反应基本无影响。将输入地震动采用相应烈度罕遇地震的峰值加速度标定,并以上述多遇地震作用下弹性最大位移反应作为罕遇地震作用下结构弹塑性分析的屈服位移,进而分析输入地震动峰值位移变化对弹塑性动力反应的影响规律。结果表明:峰值位移的增大将会明显增大中长周期结构弹塑性位移反应和速度反应,这种放大效应对位移反应尤为显著,其规律在不同设防烈度区具有一致性,即随着设防烈度的提高,输入地震动峰值位移的增大引起的大部分中长周期结构弹塑性位移及速度反应的放大效应减小。因此,在进行结构动力分析时,应充分考虑输入地震动峰值位移变化对计算结果的影响。     

SSI效应对隔震结构的地震响应及损伤影响分析

基于弹性地基梁理论和波动理论计算群桩-土地基对上部结构的动力阻抗,进而研究桩土-结构动力相互作用对高层隔震结构地震响应及非线性损伤的影响。首先计算桩周地基水平刚度系数,采用改良的Penzien模型将群桩等效为单桩,考虑一定桩长范围计算桩头的水平刚度,同时根据结构振动频率与地基基本频率的大小关系,考虑地基材料阻尼和辐射阻尼的影响。以某高层隔震工程为例,根据实际桩布置及土层分布情况计算地基阻抗,利用等效线性化模型对结构进行反应谱分析,计算结构隔震前后SSI效应对其动力响应的影响,再利用三维非线性损伤模型分析SSI效应对结构主要构件损伤的影响。计算结果表明,随着结构层数的增加,SSI效应的影响减小,考虑SSI效应会使隔震层位移和隔震支座面压利用率提高,而对隔震层上部结构的层间位移基本没有影响;考虑SSI效应后结构连梁的损伤减小,而框架柱和剪力墙这些竖向构件损伤增加;长周期地震动作用下结构的SSI效应更显著。     

考虑P -Δ效应的结构响应函数简化求解方法

P-Δ效应是引起结构在强烈地震下倒塌的重要原因之一。由于几何非线性和材料非线性的共同作用，结构的骨架曲线会出现负刚度。为了快速求解地震作用下结构的响应函数，推导了相似弹塑性系统在同一地震波形激励下，结构的屈服水平系数与地震强度成正比的规律。基于这一规律，建立了等效单自由度体系屈服水平系数与延性系数之间的关系，即ημ曲线，提出了求解推覆曲线上每个点所对应地震强度的简化方法，从而快速建立结构的响应曲线。选择了20条实际地震动对一个六层钢框架结构进行分析，得到其16%、50%、84%分位值的顶点位移角响应曲线，并和增量动力分析对比，结果显示所提方法在响应全过程(从弹性、塑性到倒塌)都具有较高精度。     

细长钢筋混凝土柱在地震荷载作用下的P-Δ效应

基于分层截面方法,对细长钢筋混凝土柱的P-Δ效应进行了研究。为了对钢筋混凝土柱的周期性行为进行有效分析(这种周期性行为可以根据外加轴向力的大小表现出荷载-位移关系曲线的改变),采用了分层截面方法,并且还采用程序在钢筋的应力-应变关系曲线中考虑了粘结滑移作用[Kwak HG,Kim JK.Implementation of bond-slipeffect in analyses of RC frames under cyclic loadsusing layered section method.Engineering Struc-tures2006,28(12):1715-27]。为了检验这种方法的有效性,以及确定在钢筋混凝土细长柱的综合反应中各种作用的重要性,采用了非线性动力分析方法对60组水平和竖向地震作用下位于常用范围内的长细和稳定度参数的构件进行分析。基于得到的大量分析结果,评估了轴向力、P-Δ效应和竖向地震力对结构反应的影响以及它们的相应贡献。此外,通过与精确的非线性动力分析中得到的结果相比较,评估了在钢筋混凝土结构的抗震设计中采用能力需求曲线的适用性。     

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。     

考虑行波效应的三维河谷场地长周期地震动响应分析

选取3条典型的基岩长周期地震波和两条常见的普通地震波,分别进行了一致输入和行波输入作用下某河谷地形场地的三维有限元地震反应分析,利用等效线性化方法考虑了土体材料的非线性特质,并对比了长周期地震波和普通地震波作用下场地反应的差异.分析结果表明,无论是一致输入还是行波输入,长周期地震作用下场地水平向加速度反应均大于普通地震...     

随机地震激励下群桩-土-桥墩相互作用分析

考虑地震动的随机性,利用复反应分析技术,采用随机地震反应计算方法对某一特大型桥梁群桩基础与土动力相互作用效应进行了数值试验研究。将土与群桩体系视为一个整体进行有限元离散,采用等效线性化方法考虑土体的动力非线性性能。将桥墩-群桩-土相互作用体系与自由场随机地震反应进行比较,结果表明:相互作用效应的影响与桩土模量差异以及土体与群桩基础距离有关。软土层剪应变水平及分布发生了显著变化,群桩基础两侧附近土域剪应变呈现明显的弧形分布;地表及浅层土体最大地震加速度反应有所减小,但覆盖层中下部土体加速度反应峰值明显增大,增幅达5%~30%左右;此外,地震地面运动的频谱成分存在显著差别。桥梁桩基础抗震设计中应充分考虑桥梁结构-群桩-土相互作用效应。