基于一致耦合法某大型博物馆结构风致响应精细化研究

针对传统三分量方法中采用SRSS组合背景分量和共振分量获得脉动风总响应的局限,在结构动力学和随机振动理论基础上,推导出结构脉动风总响应的实际理论组合计算式,提出用于补偿背景分量和共振分量之间耦合项的一致耦合法来求解结构的风致响应。该方法从理论上适用于任一复杂柔性结构的风致响应精细化分析。以某大型自然博物馆柔性钢结构为例,采用一致耦合法以及改进的三分量方法进行风致响应计算,并与全模态完全二次型（CQC）法计算结果进行对比分析,结果表明：背景、共振及其交叉项分量均需考虑,其中又以共振分量为主导,并且共振模态之间的耦合效应显著,背景和共振分量之间的交叉项也不能忽略。一致耦合法具有较高的精度和稳定性,是此类结构风振响应机理分析的有效方法。     

大跨度屋盖结构风振响应和等效静风荷载的快速算法和应用

采用一种新的快速算法—谐波激励法(HEM)计算复杂大跨度空间结构的风致响应,该方法的精度等同于完全二次型组合(CQC)方法,对内存的消耗却要远小于CQC方法且计算速度要显著比CQC方法快。在得到结构风致响应的基础上,基于荷载响应相关(LRC)原理计算出包含共振响应和模态耦合的结构等效静风荷载(ESWL)。将本文方法应用于一复杂体育场屋盖的风振响应和ESWL的计算分析,通过对该结构风致响应的特征和ESWL分布的分析和讨论,证明了本文方法的有效性。文中还对响应的背景和共振分量的相关特征进行分析,结果显示:响应的背景和共振分量的相关系数最大可达-0.13,忽略这种相关特征所产生的误差最大可达6%并高估了结构的风振响应。     

初始几何缺陷对单层球面网壳结构地震承载力的影响研究

为研究不同初始几何缺陷对单层球面网壳结构地震承载力的不利影响,根据"拟壳法"的内力状态,提出了弯曲应力为主杆件数量占有效杆件总数的百分比最大,作为网壳最不利缺陷的判别准则.基于该准则,以跨度80m的K8型单层球面网壳为例,开展了考虑最不利高阶模态缺陷的网壳结构地震承载力影响分析.结果表明,网壳结构最不利缺陷一般出现在高阶屈曲模态;相比最低阶屈曲模态缺陷,最不利高阶模态缺陷计算所得的网壳结构地震动力响应显著增大,结构地震承载力明显降低;最不利缺陷的判别准则只需考虑前20阶屈曲模态范围,即可保证网壳结构地震承载力的计算精度和计算效率.     

基于SMA—橡胶支座和碟形弹簧的球面网壳结构多维隔震

球面网壳结构是典型的大跨度空间结构,地震时水平和竖向地面运动分量对其地震响应的影响均十分显著。为了提高其抗震性能,采用SMA—橡胶支座和碟形弹簧形成分段隔震机制以降低结构的多维地震响应。本文建立了SMA—橡胶支座和碟形弹簧的隔震计算模型。进而,根据球面网壳结构多维隔震的动力方程,针对某单层球面网壳结构,开展了其在不同地震作用下的多维隔震控制研究。由时程响应的数值模拟结果可见,多维隔震网壳结构的杆件内力、加速度响应和位移响应较无控结构有了显著的降低,从而验证了所提出的多维隔震技术对于保护球面网壳结构免遭地震灾害破坏的有效性。     

基于三向敏感频率的单层球面网壳结构地震动强度参数分析

选择合适的地震动强度参数可减小其与结构响应相关分析结果的离散性。以Kiewitt-8型单层球面网壳结构为研究对象,对算例结构进行谐响应分析,确定结构三个方向的敏感频率;提出基于三向敏感频率的地震动强度参数加速度谱Sa,3d。采用有限元软件ABAQUS对算例结构进行三向地震动作用下的增量动力分析,并对分析结果进行统计分析,从相关性和有效性两个方面对Sa,3d进行评价。结果表明：Sa,3d与单层球面网壳结构的地震响应具有更好的相关性,且具有较好的有效性,建议对单层球面网壳结构,采用Sa,3d 作为地震动强度参数进行增量动力分析。     

大跨度屋盖结构等效静力风荷载方法及应用

结构风致振动是控制大跨度屋盖结构设计的主要因素。大跨屋盖结构模态密集,风致振动有多模态参与并受模态交叉项影响的特性,这给建立大跨度屋盖结构等效静力风荷载的计算方法带来了很大的困难。本文基于计算共振分量的修正SRSS法,将LRC法和考虑模态耦合系数的惯性风荷载法相组合来表示等效静力风荷载。本文的方法能考虑模态之间相互耦合的情况,给出的等效静力风荷载具有明确的物理意义。最后将该方法运用于一个实际工程,检验了计算方法的精度。计算结果表明,本文方法和CQC法得到的响应值非常接近,最大误差约为3%,相对而言SRSS法的计算误差较大。     

单层球面网壳结构风振响应分析及风振系数

利用线性自回归过滤器的模拟技术对考虑时间和空间相关性的风场进行计算机模拟,对施威德勒型、联方型和凯威特型三类单层球面网壳结构进行了水平风作用下的风致振动响应分析,分别考虑三种矢跨比1/8、1/5、1/4的影响.对风振响应的变化规律及其受矢跨比的影响进行了总结.计算了9种工况网壳结构的位移和内力风振系数.     

基于Ritz-POD的谐波激励法及其在大跨悬挑屋盖风致响应分析中的应用

大跨度复杂悬挑屋盖结构存在模态频率密集和模态耦合明显等特征,传统频域完全二次型组合(CQC)法和时域方法均不同程度存在计算效率低下和内存需求巨大的问题而不适用于此类结构的风致响应计算。谐波激励法(HEM)和基于Ritz-POD的CQC(RPCQC)方法的提出实现了精度和CQC法一致的快速计算,这使得复杂大跨度屋盖结构风致响应的计算成为可能。为考虑高阶模态对屋盖风致响应的影响,提出了基于Ritz-POD的HEM(RPHEM),并用于深圳国际会展中心屋盖的风振分析,以SAP2000时域积分结果为标准,对比了不同参振模态阶数的自由振动模态和基于Ritz-POD模态对HEM计算结果的影响。结果表明,采用HEM需要500阶自由参振模态才能得到满意的结果,且其计算时间仅为SAP 2000的1/30,而采用120阶Ritz-POD模态即可达到同样精度,且所需时间仅为采用HEM的1/6,大大减少了HEM的计算量。如果采用已有的RPCQC方法,其存储120阶模态力谱矩阵所需的内存量为1.93GB,且计算耗时同CQC方法一样巨大,这表明所提方法的有效性。     

单层球面网壳结构抗震性能研究

本研究了单层网壳结构地震响应的计算理论和计算方法。以K8型单层球面网壳为研究对象,得出了单层网壳在水平地震作用和竖向地震作用下的力学响应特性的一些重要结论。进一步针对地震响应的主要影响参数,如结构几何参数、边界刚度、阻尼比等,对单层球面网壳地震响应规律作了系统的研究,并提出了对单层网壳结构抗震设计有应用价值的结构和建议。     

六种网格形式的单层球面网壳的风振响应

分析六种网格形式的单层球面网壳的风振响应，在频域内直接求解网壳风振响应（位移、内力、加速度）的统计值，研究不同网格形式及不同矢跨比对单层球面网壳风振响应的影响。     

等效静力风荷载背景和共振之间的耦合效应

在结构动力学和随机振动理论基础上,推导出结构脉动风总响应的实际理论组合公式,首次定义了耦合恢复力协方差矩阵这一参数,提出用于补偿背景和共振分量之间耦合项的一致耦合方法（CCM）来求解结构的总风致响应,并赋予等效静风荷载背景和共振耦合项以明确的物理含义。以某大跨屋盖结构为例,采用CCM法进行风致响应和等效静风荷载计算,通过与全模态完全二次型组合（CQC）计算结果进行对比分析,深入揭示了背景和共振耦合项的作用机理,验证了本文方法的高精度和有效性,为此类结构风致响应和等效静风荷载的精确求解和机理研究提供新的思路。     

高层建筑结构地震反应的三维分析

在三维静力分析的基础上,本文对高层建筑空间结构进行了动力特性分析,并推导了在一般情况下反应谱方法的有关公式。本文还通过对不同类型的结构用不同振型数目进行各振型的地震反应组合,比较了SRSS和CQC两种组合法,并提出了有关建议。     

曲线桥梁在多向地震作用下的动力分析方法

由于曲线桥梁具有由其平面不规则性导致的弯扭组合效应,地震分量的输入角度对最大反应有较大影响.本文研究了多向地震作用下曲线桥梁的地震反应,系统分析和对比了多种计算方法.通过对CQC3方法和SRSS3方法进行推导,界定了SRSS3方法,并指出了该方法的缺陷和适用范围,同时对两种国内外抗震规范采用的简化计算方法的原理和参数进行了详细分析.本文中用多种方法计算了曲线桥梁在相应于实际地震反应谱的结构反应,并与采用地震记录进行的时程分析作了对比.文中的计算结果不仅验证了CQC3方法的正确性同时文中也分析了SRSS3的局限性,研究结果还表明在未来的桥梁抗震规范中可以在最不利的地震作用输入角度下采用比较准确的CQC3方法计算多向地震反应的设计值.不过为方便起见也可采用SRSS方法和百分比方法的保守值作为多向地震作用下的设计值是必要的.     

柱壳屋盖的等效静风荷载

根据弹性恢复力的模态展开式和计算响应的拟静力公式导出产生屋盖结构最大峰值响应的等效静风荷载。给出两种计算等效静风荷载的途径,一种表示为模态等效静风荷载的加权组合,另一种表示为背景分量与共振分量的加权组合。利用同步多点压力扫描技术对一个柱壳屋盖结构进行了风洞试验。采用完全二次型组合法(CQC法)和平方总和开方法(SRSS法)计算了不同风向角下竖向位移的峰值响应,说明了模态耦合的影响。将两种途径计算的柱壳屋盖等效静风荷载分布与平均风荷载分布作了比较,分析了相应的峰值响应与平均响应。分析结果表明:许多结点的等效静风荷载远大于平均风荷载,而且脉动风效应和共振效应也应引起重视。     

增量动力分析在单层网壳倒塌评估中的应用

增量动力分析已经成为结构抗震性能评估的重要方法之一,但其在空间结构中的应用还处于空白.本文利用增量动力分析方法对某单层网壳进行了抗震性能评估.以地震峰值加速度和最大位移为地震动参数和工程需求参数对该网壳进行了增量动力分析.根据分析结果,计算了该网壳在任意峰值加速度下的倒塌概率,结合地震动危险性曲线,得到了该网壳的年度平均倒塌概率.计算结果表明,该单层网壳具有较高的抗倒塌性能;增量动力分析可以应用于单层网壳的地震倒塌评估.     

Seismic analysis of a super high-rise steel structure with horizontal strengthened storeys

Horizontal strengthened storeys are widely used in super high-rise steel structures to improve the lateral structural rigidity. This use has great effects on the seismic properties of the entire structure. The seismic properties of the Wuhan International Securities Building (a 68-storey super high-rise steel structure with three horizontal strengthened storeys) were evaluated in this study. Two approaches, i.e., mode-superposition response spectrum analysis and time-history analysis, were employed to calculate the seismic response of the structure. The response spectrum analysis indicated that transition parts near the three strengthened storeys were weak zones of the structure because of the abrupt change in rigidity. In the response spectrum analysis approach, the Square Root of Sum of Square (SRSS) method was recommended when the vertical seismic effects could be ignored. However, the complete quadratic combination (CQC) method was superior to SRSS method when the vertical seismic effects should be considered. With the aid of time-history analysis, the seismic responses of the structure were obtained. The whiplash effect that spectrum analysis cannot reveal was observed through time-history analysis. This study provides references for the seismic design of super high-rise steel structures with horizontal strengthened storeys.     

均布荷载作用下单层球面网壳的弹塑性失稳模式研究

为揭示单层球面网壳结构在静力均布荷载作用下的失稳模式与失效机理,预测结构可能发生的破坏模式和承载能力,基于双重非线性全过程分析理论,采用ANSYS软件对典型球面网壳结构开展稳定性参数分析,系统考察结构的荷载-位移全过程曲线、塑性发展分布、屈曲模态等特征响应。并以典型算例为代表,从宏观和微观两个方面诠释了单层球面网壳结构可能发生的3种失稳模式:弹性失稳、弹塑性提前失稳、弹塑性失稳。指出弹塑性提前失稳是由于结构强度破坏诱发的一类承载力偏低的失稳模式,为提高结构安全性,在网壳稳定性设计阶段中应避免出现此类失稳模式。     

具有随机几何缺陷的大跨度单层球面网壳稳定性分析

网壳结构的稳定性是单层网壳结构设计中的关键问题。采用改进随机缺陷法对一大跨度K8型单层球面网壳进行随机缺陷稳定性分析,并研究非线性（几何非线性、材料非线性）、缺陷最大值等因素对单层网壳承载能力和临界荷载分布规律及其统计参数的影响。结果表明,单层球面网壳的临界荷载对曲面形状的安装偏差非常敏感,初始几何缺陷的影响非常大。缺陷最大值的增大将会使样本的最大值、最小值、均值及设计临界荷载显著下降,缺陷最大值对样本均方差的影响较复杂。材料非线性对大跨度单层球面网壳极限承载力的影响比较显著和复杂,对同一样本的影响有规律可循,但在不同样本之间没有必然的联系,在单层网壳结构设计中进行弹塑性稳定性分析是非常必要的。     

The stability and stressed skin effect analyses of an 80 m diameter single-layer latticed dome with bolt-ball joints

Recent researches have demonstrated that bolt-ball joints have a certain amount of flexural stiffness, so they should be classified as semi-rigid joints and it is possible to apply them on single-layer latticed domes. In order to study the stability and stressed skin effect of the latticed domes with bolt-ball joints, a series of nonlinear full-produce analyses were conducted on the basis of the design of an 80 m diameter single-layer latticed dome with bolt-ball joints, which is the main structure of the Shenbei New District citizen fitness center in Shenyang, China. Above all, the moment-rotation relations for bolt-ball joints, which were established based on numerical results, were introduced into the latticed dome numerical model. Then, the nonlinear stability analyses for the latticed dome in different construction stages were carried out by the above-mentioned numerical model under vertical loads and horizontal wind loads. The mechanical behaviors discussed in this investigation including the stability and the ultimate bearing capacity of the latticed dome in different construction stages, and the influence of the stressed skin effect on the stability of the latticed dome with decorated plates. The result shows that: after being properly designed, the latticed dome with bolt-ball joints can exhibit a good mechanical performance, and this successful application of bolt-ball joints on the Shenbei New District citizen fitness center can set an example project for the design of single-layer latticed domes with semi-rigid joints; under vertical loads, it is more dangerous for the 75% complete latticed dome, while the dangerous construction stage for horizontal wind loads is the 50% completed latticed dome; the stressed skin effect can increase the stability of latticed domes.