强震下网壳结构性能的多模态整体损伤演化EI北大核心CSCD

在已有宏观地震整体损伤模型基础上,借助线性模态置信准则(英文简称LMAC)来考虑强震作用下网壳结构体系中普遍存在的模态跃迁现象,并结合网壳结构振动特性,给出了模态损伤贡献因子取值为1.0的简化模态损伤计算模型,结构整体损伤则由各阶模态损伤依据模态损伤独立性假设来进行组合得到。在将该模型应用于强震作用下某一算例施威德勒单层网壳结构的损伤演化规律分析与数值验证中发现,当认真处理好模态匹配和高阶模态对损伤的贡献度时,得到的损伤指数更符合通用正S型损伤发展规律,且与三条地震波作用下网壳结构增量动力分析(IDA)得到的特征响应,尤其是最大节点位移曲线吻合较好。此外,简化H2损伤模型不仅能够量化初始缺陷对结构整体初始损伤的影响,而且能够揭示初始缺陷对结构损伤影响的多模态特性。尽管计算结果与地震波的选择存在较大的关联,但是对应于各个特征点损伤数值却显示出较好的一致性。     

单层网壳结构稳定性分析方法研究

为了准确地分析具有初始几何缺陷的单层网壳结构整体稳定性,运用随机缺陷模态法、一致缺陷模态法和N阶特征缺陷模态法,对4个不同矢跨比的K8型单层网壳进行了近1300例弹塑性荷载-位移全过程分析,探讨不同分析方法的合理性和可行性。研究表明:随机缺陷模态法能较为科学地评估初始几何缺陷对结构稳定性的影响,但计算量较大;对稳定承载力系数样本进行统计特性分析时,空间样本数量n不应小于100;运用随机缺陷模态法确定网壳结构最终的稳定承载力系数时,建议采用“3σ”原则;采用最低阶屈曲模态模拟初始几何缺陷分布,求得的稳定承载力并非最不利,其保证率得不到有效保证;N阶特征缺陷模态法能够通过较少的计算量,得到满足“3σ”原则要求的稳定承载力,并能较为合理、安全地评估网壳结构的稳定性能;在运用N阶特征缺陷模态法时,建议N=20。     

凯威特型单层球面网壳在强震下的失效研究

动力强度破坏是网壳结构在遭受地震时的主要失效形式,准确的失效判别需要以基于材料损伤理论的分析为基础。为在动力时程分析中考虑材料损伤累积的因素,编制了基于有限元软件ABAQUS的用户材料子程序,具有较高的计算精度和较好的收敛性,实现了网壳结构考虑材料损伤的动力有限元分析。对单层球面网壳在强震下的失效特点进行了系统的参数研究,探讨了考虑材料损伤因素对网壳失效特征的影响;综合网壳失效时刻的多项特征响应,拟合了能够评估网壳动力损伤程度的损伤模型;基于损伤模型表示的网壳极限状态的物理意义,建立了适用于跨度40m的凯威特单层球面网壳强震失效判别准则,可用之判定网壳在强震作用下的失效极限荷载。     

基于Zernike矩的网壳结构的振型表征及损伤识别

在结构模态识别中常用的模态保证准则(MAC)仅能显示结构不同振型的相关性,并不能反映模态的细节,对于模态复杂的网壳结构则更是如此。因此,提出利用Zernike矩表征网壳结构的振型,即将振型数据视为图像函数,通过离散Zernike矩变换,得到表征各阶模态的Zernike矩值(包括幅值和相位角)。对一个单层球面网壳结构的有限元模型进行数值模拟,结果表明,此矩可有效地反映模态的振型特性并能识别结构的重频模态,较传统的MAC具有明显的优越性。在此基础上,初步提出将Zernike矩的幅值及相位角作为结构损伤识别的新指标。构造了网壳结构杆件物理参数改变的几种损伤工况,通过分析,发现了不同的损伤形式导致的Zernike矩的不同变化规律,验证了Zernike矩用于损伤识别的可行性。     

网壳结构损伤识别的数值模拟及试验研究

网壳结构工程事故频繁发生,对其进行损伤识别及健康监测已迫在眉睫。针对网壳结构特点,推导了剩余模态力理论和最小秩摄动理论的基本公式,研究二者在大型网壳结构损伤识别应用中的有效性。依据相似理论,设计制作单层短程线网壳结构模型,对其进行模态试验研究,获取了损伤识别所必需的实测结构模态参数。利用Guyan静态缩聚技术进行有限元模型缩聚,采用最小秩摄动理论进行有限元模型修正,对比研究了基于数值模拟数据和试验实测数据的损伤位置判定及程度评估的整个过程。结果表明,基于剩余模态力和最小秩摄动理论的两阶段损伤识别算法不仅可以识别结构单损伤位置和多损伤位置,还可以定量评估损伤程度,对网壳结构的健康诊断是可行的。     

荷载非对称分布下单层球壳的动力倒塌振动台试验研究

为验证荷载非对称分布下网壳结构的动力倒塌机理,对一个单层球面网壳缩尺模型进行了振动台试验。选用三条地震波对网壳结构的动力特性、弹塑性阶段的动力响应(位移、加速度和应变等)、倒塌阶段的破坏过程进行了研究。通过ANSYS/LS-DYNA,以显式动力分析方法为基础,模拟了荷载不对称分布下网壳结构的倒塌全过程,并进行了倒塌机理的分析。结果表明,当网壳受半跨荷载时,形成塌陷区域的节点位于荷载作用区内,中部主肋屈曲产生了较大的动力效应并导致结构荷载作用区内局部塌陷形成、扩大使结构最终倒塌。有限元分析结果与实测结果吻合较好,验证了数值计算方法的正确性。     

Schwedler网壳结构强震作用下的动力强度破坏研究

对Schwedler单层球面网壳结构进行了强震作用下的动力全过程分析,研究了结构的失效机理。对40m跨的Schwedler理想网壳结构和考虑初始缺陷的网壳结构进行了全过程动力时程分析,考查了此类型网壳结构的动力性能和破坏形式,采用一致缺陷模态法处理初始缺陷,分析了初始缺陷对Schwedler网壳结构动力性能的影响;对具有初始缺陷的网壳结构进行了参数影响分析,分别考查了地震作用、杆件截面和屋面荷载三种因素对结构动力性能的影响;将研究结果与其它球面网壳结构进行了比较,验证了文献[6]提出的理论框架的合理性和实用性。     

柱壳结构损伤识别方法

摘 要:对柱壳结构的损伤部位和程度进行识别是柱壳结构进行安全性评定的一个重要环节。本文对柱壳结构损伤前后动力特性进行了分析,采用摄动法推导了由于单元损伤引起的各阶模态振型改变系数;推导了模态应变能变化与单元损伤之间的关系;采用单元模态应变能的变化率作为柱壳结构损伤诊断的标识量,证明了单元模态应变化率对损伤的敏感性。对柱壳结构损伤识别方法进行了研究,所提出的方法仅需要量测的低阶模态信息和刚度矩阵就能完成结构的损伤识别。最后,以一混凝土柱壳结构为工程实例,对其在不同损伤情况下的损伤进行了分析,结果表明,所提出的损伤识别方法能够很好地识别不同损伤组合下的损伤部位和程度,同时能较好地识别结构小损伤,因而证明了本文所提出的方法的正确性和有效性。 关键词:柱壳结构;损伤识别;动力特性;损伤标识量;模态应变能     

基于Galerkin法的旋转薄壁圆柱壳非线性行波振动的数值分析

应用Donnell's简化壳理论,在考虑阻尼和几何非线性的情况下,基于Galerkin方法,对旋转的薄壁悬臂圆柱壳在法向激振力作用下的非线性行波振动进行了数值分析.在研究过程中,首先,考虑阻尼并引入几何非线性项,建立薄壁圆柱壳的非线性波动方程,然后,采用Galerkin方法对波动方程进行转换,选取不同的模态组合,得到相应模态坐标下的非线性微分方程,最后用Runge-Kutta法进行数值计算并对圆柱壳的非线性波动振动特性进行了分析.结果表明,几何非线性使圆柱壳呈现明显的硬特性,其硬特性随激振力幅值的增大而得到加强,共振区存在多值性,多模态分析表明,轴向二阶模态对主模态影响较大,计算时宜采用两个轴向模态.     

自由度匹配技术在网壳结构损伤识别应用中的比较研究

测试自由度与有限元模型自由度不匹配是损伤识别技术应用于实际工程的最大障碍，动力模型缩聚和特征向量扩充技术是解决这一问题的主要手段。提出了基于剩余模态力和最小秩摄动理论的两阶段损伤识别算法，对几种模型缩聚技术和特征向量扩充技术在网壳结构损伤识别应用中的可行性、优缺点及适用范围进行了比较研究。通过单层短程线网壳结构模型的数值模拟，同时考虑测试噪声影响，实现了测试信息不完备情况下的网壳结构损伤识别。结果表明，本文所提出的损伤识别算法可以识别出网壳结构的单位置刚度损伤，而且利用Guyan静态缩聚法和Guyan扩充法进行自由度匹配后的损伤识别结果非常准确，它们是网壳结构损伤识别应用中模型自由度匹配的最佳选择。     

设置多功能摩擦摆系统的单层球面网壳结构地震响应分析

提出了一种新型多功能摩擦摆支座(MFPB),考察了其在周边支承单层球面网壳结构中减震控制性能。上诉隔震装置由摩擦摆支座、形状记忆合金(SMA)拉索和套筒式限位器组成;为了研究MFPB的隔震耗能机理,建立了此隔震支座的理论模型,进而,对MFPB的滞回行为进行了数值模拟,并分析了其性能特征;将MFPB隔震系统引入单层球面网壳结构中,基于ABAQUS软件建立了受控结构的分析模型;对结构进行了非线性时程分析,利用结构的动力响应指标,评估了受控和无控网壳的抗震性能。研究结果表明,所研发的新型隔震系统可有效降低结构的多维地震响应,且具备抵抗强震灾变的潜力,故有助于提升高位隔震空间网壳结构的总体抗震性能。     

单层球面网壳动力失效全过程试验研究

为了更加深入研究单层球面网壳的动力失效。结合一个K6型单层球面网壳振动台试验,设计出一套描述单层球面网壳强振倒塌全过程的测试方法,包括:冲击法测试结构自振特性、低频调幅加载评估损伤程度和基频简谐加载监测结构失效过程。结合数据测量结果,描绘出结构倒塌过程的变形时程,分析结构的基频、阻尼及振型,记录杆件进入塑性的顺序,探索结构损伤演化的规律及倒塌破坏的机理。最后考虑材料的损伤,进行有限元模拟,验证了模拟方法的正确性。     

基于简化IDA的结构地震损伤评估方法

将等效单自由度（SDOF）体系假设与Pushover分析方法相结合,建议了一种简化的增量动力分析（IDA）方法。给出损伤指数R与结构反应限值和抗震三水准的对应关系。根据结构抗震失效概率公式给出结构地震损伤概率计算方法,进一步得到结构在不同地震强度下的损伤指数期望值R_e,用以评估结构的地震损伤等级。在此基础上建立了基于简化IDA的结构地震损伤评估方法。为了验证所提出的方法,按照不同场地设计了三幢结构模型,选取了典型地震动记录作为结构的水平地震动激励,对结构模型进行了IDA、地震易损性分析和地震损伤评估。通过算例分析表明,基于简化IDA的结构地震损伤评估方法计算量小,易于操作,但得到的结构损伤值较大,抗震评估结果偏于安全。     

基于CFRP加固的钢混排架厂房全寿命周期地震成本研究

采用增量动力分析（incremental dynamic analysis,IDA）对坐落于我国西部具体地区的单层钢混排架工业厂房基于碳纤维布（carbon fiber reinforced polymer,CFRP）加固前后的地震损伤和全寿命周期地震成本进行对比计算分析,研究中参考了中国抗震规范和美国太平洋地震工程研究中心（PEER）强震数据库后拟合建立了与分析地区地质场地条件接近的当地地震风险度概率模型。采用多参数混合加权推导计算出CFRP加固钢混排架柱厂房结构全寿命周期地震损失成本统计值,计算过程中的结构尺寸、材料强度、地震荷载等相关参数变量采用蒙特卡洛（MonteCarlo Sampling,MCS）随机样本法予以考虑,研究结果显示该地区CFRP加固单层钢混排架厂房结构全寿命周期地震成本统计中位值在5.75元/（年·m2）,扣除加固材料成本及加工费用后较同类型未加固普通厂房全寿命期地震成本费用综合节省约16.5%,显示厂房采用CFRP加固技术后具有良好的全寿命周期地震成本经济性,同时CFRP加固后的厂房结构地震年平均成本直接费CoV统计偏差在1.35%~1.36%。     

基于结构强震记录的结构时变模态参数识别

为研究结构在地震过程中动力特性变化和损伤过程,为结构地震损伤评估提供可靠依据,采用递归式在线系统辨识算法RARX模型,利用结构强震记录识别了结构时变模态参数。以一座6层钢筋混凝土框架结构为例,识别了其时变自振频率、阻尼比和等效刚度。结果发现：在小地震动作用下,结构自振频率随时间几乎不发生改变;在大地震动作用的整个时间过程中,结构自振频率随时间逐渐降低,降低到一定程度到达最低点后,频率开始回升,直至地震结束,但最后不能回升到初始值,说明经历大震发生损伤的结构在震后性能会有所恢复;结构等效刚度变化趋势和自振频率相同,但在大震中下降比频率下降大的多;结构阻尼比在经历大震发生损伤后增大。结果可供结构地震损伤预测及结构震后安全鉴定参考。     

考虑损伤的结构抗震可恢复性

在定义结构剩余抗震能力比、结构整体抗震可恢复性指标以及对应于建议损伤区间的局部抗震可恢复性指标的基础上,考虑建筑物不同重要性和不同破坏影响,建议了不同的结构抗震可恢复性等级和相应的整体可恢复性指标变化范围,以及局部抗震可恢复性指标的下限值。结合易损性分析得到特定地震强度下得到其剩余抗震能力比的期望值。根据损伤区间规划、损伤性能目标以及各可恢复性等级结构剩余抗震能力比曲线下包络线,建议了结构抗震可恢复性概念设计框架。这种概念设计框架是在描述结构损伤程度的基础上,能够更加直接地评估结构面临受损或序列型强震时其剩余强度储备的情况。针对算例情况而言,按照现行规范设计的结构其抗震可恢复性和倒塌概率均满足要求,大震作用下结构剩余抗震能力比的期望值与最大结构层间位移有较好的对应关系,说明结构抗震可恢复性评估方法与常规设计方法之间的关联。     

单层球面网壳考虑一致倒塌概率的倒塌安全储备分析

提出了考虑一致倒塌概率的单层球面网壳结构倒塌安全储备计算方法。以标准正态分布作为倒塌概率密度函数,采用指数型分布函数描述地震危险性,在假定网壳结构特大震倒塌率限值为10%的情况下,将两者积分得到了适用其50年内一致倒塌概率限值为0.46%,低于针对普通房屋建筑结构50年内一致倒塌概率1%的限值。在定义网壳结构特大地震强度水平的基础上,引入一致倒塌概率对其进行了修正。根据修正特大震强度,最终提出了针对网壳结构的倒塌安全储备系数（CMR）计算方法,这种做法可以使所做的抗倒塌设计更好地考虑到所有超越概率地震动水平,保证各抗震设防烈度下大跨网壳结构具备统一的倒塌概率限值要求。另外,通过谱形状参数对建议的倒塌安全储备计算结果进行了谱修正。针对三个算例网壳的增量动力分析对比了不同矢跨比和不同结构类型对倒塌安全储备以及50年倒塌概率的影响,三个算例结构均能满足倒塌概率限值的要求,50年倒塌概率与倒塌安全储备有较好的一致性。     

强震下钢框架结构易损性分析及优化设计

该文建立了一种考虑结构地震反应滞回变形幅值对累积耗能损伤影响的双参数损伤模型,提出了一种基于易损性分析的评估钢结构在地震作用下损伤程度的方法,该方法以结构最大层间位移角作为评价结构整体能力的参数指标。以一个9层Benchmark钢结构为例,针对其在强震中的反应特征,对其薄弱层进行了优化设计,建立其优化前后的理论易损性曲线,对其在不同强度地震作用下的破坏状态进行评估。基于倒塌储备系数对优化前后结构的抗倒塌性能进行分析,结果表明:所提出的损伤评估方法能较准确地评估钢结构在强震作用下的损伤程度,优化设计后结构的抗倒塌能力显著提高。     

基于性能的钢框架结构失效模式识别及优化

该文定义了损伤和滞回耗能两个性能指标,以增量动力分析(IDA)方法为基础,提出基于性能的钢框架结构失效模式识别方法,并以性能指标为目标函数,以构件截面尺寸作为变量,建立钢框架结构失效模式多目标优化方法。在多条地震波作用下,对一个20层benchmark钢框架结构进行了失效模式识别与优化分析,结果表明,以损伤和滞回耗能作为评价指标的基于性能的钢框架结构失效模式识别方法,能有效识别最不利地震作用下的结构失效模式,基于性能的失效模式多目标优化方法能够显著提高结构整体的抗震性能。     

基于模糊综合判定的网壳结构强震失效模式研究

为合理判别单层网壳结构在强震下的两类失效模式,指导网壳工程在地震区的实践,该文采用考虑材料损伤累积的荷载域全程分析方法,对单层球面网壳和单层柱面网壳在动力荷载下(包括强震)的响应进行了系统的参数分析。简述了两类失效模式的结构表现及结构响应特征;引入模糊数学中的模糊综合判定理论,确定了网壳结构多项响应因素与模糊失效模式集合的关系,建立了基于模糊综合判定的网壳结构动力失效模式判别模型;通过分析表明:所建立的模型具有准确的判别效果,可对网壳结构在动力荷载下的失效模式进行判别。