基于耐震时程法的特高拱坝极限抗震能力研究EI北大核心CSCD

在对300 m级特高拱坝进行抗震安全评价时,常常面临着工程条件复杂、有限元模型自由度数目多、计算耗时较长、效率较低等问题。为了提高分析效率,节约计算成本,采用了耐震时程法来分析特高拱坝及坝基的动力损伤行为,并进行极限抗震能力研究。基于耐震时程法理论,以《水电工程水工建筑物抗震设计规范》中的标准反应谱为目标谱,采用非线性最小二乘法生成精度较高的3条耐震时程曲线。以我国西南地区某300 m级特高拱坝为例,建立了坝体—基岩三维非线性有限元分析模型,并同时考虑地震动的输入、坝体及基岩的损伤开裂、横缝的动态开合等关键问题。通过考察拱冠梁最大相对位移、横缝最大开度、坝体损伤体积比、损伤耗能等指标来综合评价大坝的极限抗震能力。结果表明,耐震时程法能够很好的反映出特高拱坝在不同强度地震动作用下的动力响应,且计算效率较高。     

考虑行波效应的大跨度矮塔斜拉桥耐震时程分析

耐震时程法（ETM）是一种采用幅值随时间不断增大的人工地震动作为输入的新型动力分析方法,其只需通过少量的数值运算便可得到不同地震强度下的结构响应。基于此优势,该文探索了在考虑行波效应下,耐震时程法预测大跨度矮塔斜拉桥地震碰撞响应的精确性和有效性。以一座两侧建有桥台的典型山谷地带矮塔斜拉桥为研究对象,通过与天然地震输入下的增量动力分析（IDA）结果进行对比,验证耐震时程法捕捉地震碰撞响应的可行性;并采用此方法参数化分析了不同地震动视波速对碰撞力、塔梁位移和墩柱曲率响应的影响。研究结果表明：耐震时程法能够高效地预测出考虑行波效应的矮塔斜拉桥地震碰撞响应;此外,行波效应对大跨桥梁地震碰撞响应的影响存在两面性,与结构是否进入非线性以及地震动强度和视波速大小有关。     

基于小样本记录的柱面网壳结构地震响应评估

结构的地震反应可以采用时程分析法或反应谱法来估计,在用时程分析法计算结构抗震设计需求时,中国抗震设计规范规定了选择3条或至少7条地震动记录的准则。可以用峰值加速度（PGA）或加速度反应谱（SA）来对地震动记录进行调幅,但用哪一个地震动强度参数来调幅为最佳还是未知的。该文针对柱面网壳的分析结果表明：合适的地震动强度参数取决于所需的结构反应,为降低由地震动记录间差异引起的结构最大杆件内力、支座反力或基底剪力的变异性,采用PGA调幅地震动记录要优于SA,而对于结构的最大位移反应则恰好相反。由于结构频谱十分密集以及受高阶振动模态的影响,采用反应谱法计算结构最大杆件内力或基底剪力是不合适的。同时,该文计算了采用3条和7条地震动记录准则获得的结构最大杆件内力和基底剪力的统计值,以期能为选择合适的地震动强度参数和地震动记录数量提供依据。     

多模态静力推覆分析及其在高层混合结构体系抗震评估中的应用

在已有的研究基础上通过考虑多阶振型质量积的水平力分布形式下的推覆分析,将结构推至每阶振型下的目标位移,采用SRSS组合的方式得到结构的响应.对应每阶振型下推覆分析的目标位移采用弹塑性反应谱来计算.对一高层钢框架-混凝土核心筒混合结构在7度罕遇地震下抗震性能进行了评估,结果显示,多模态静力推覆分析所得的结构响应同非线性动力时程分析所得结果很接近,尤其是在层间位移角及层间剪力这两个重要抗震指标上更为接近.     

一种摇摆式钢筋混凝土框架节点刚度取值研究

研究一种摇摆式钢筋混凝土框架节点刚度的取值方法。首先,建立了摇摆式钢筋混凝土框架的有限元模型并进行了地震模拟振动台试验验证;其次,选择10条地震动曲线,研究9种不同节点相对刚度比情况下结构的动力时程响应分析;最后,利用层间位移放大系数、基底减震系数比较不同地震动作用下结构的峰值层间位移、层间剪力响应。结果表明:节点相对刚度比S取0.01~0.25为宜。     

混凝土重力坝的耐震时程损伤指标分析方法

为了获得混凝土重力坝在强地震动作用下的损伤情况,基于耐震时程法提出了一种损伤指标分析方法。耐震时程分析(ETA)法表征了耐震时程与峰值加速度的线性增长关系,可以获得坝体在不同峰值加速度下的动力响应。依据耐震时程分析法的基本理论,合成了一组耐震时程加速度曲线;建立KOYNA混凝土重力坝有限元模型,以耐震时程加速度曲线作为坝体基底输入,通过谐响应分析方法得到了KOYNA混凝土重力坝在ETA激励下响应随峰值加速度变化的频谱曲线;采用坝体顶部中点和下游折坡点作为主要特征点,分析主要特征点的不同指标(位移、应变、加速度响应、固有周期)与耗散能、损伤体积的拟合关系,提出了可以宏观刻画坝体损伤扩展情况的损伤指标——响应频谱差面积。研究结果表明,坝体顶部中点位移频谱差面积和一阶频率的固有周期可以很好地表征坝体的损伤情况,且具有良好的精度,为工程设计提供了可靠的依据。     

考虑地震动随机性的隔震曲线连续梁桥动力响应分析

隔震曲线梁桥因结构形式的复杂性与独特性,其地震响应相较于隔震直线梁桥更为复杂。为了研究地震动随机性对隔震曲线梁桥动力响应的影响,建立了某三跨隔震曲线梁桥有限元模型,对不同地震动入射角及不同地震动强度下的隔震曲线梁桥进行了非线性时程分析,同时考虑了曲线梁桥圆心角及隔震支座非线性的影响。以典型地震波为例,研究了隔震支座位移、中墩墩底剪力随地震动入射角、地震动强度及曲线梁桥圆心角的变化规律。结果表明:地震动入射角的随机性对隔震曲线梁桥切向及径向的地震响应有显著影响。切向响应与径向响应最大值所对应的最不利入射角相差约90°;相较于中墩支座,边墩支座的位移响应受曲线梁桥圆心角的影响更大;与中墩径向剪力相比,其切向剪力对圆心角的变化更加敏感;相同地震动入射角下,圆心角的增大使得隔震曲线梁桥中墩受力更加不均衡;当地震动沿着最不利入射角输入时,在同一峰值加速度的地震动作用下,不同圆心角的隔震曲线梁桥的动力响应基本一致。     

某消能减震钢筋混凝土框架-剪力墙结构弹塑性时程分析

采用新近开发的合理的结构数值分析模型,建立了某实际高层钢筋混凝土框架-剪力墙结构的有限元分析模型。在此基础上对原结构和布置了非线性粘滞流体阻尼器的减震结构均进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。利用数值分析模型的非线性计算能力和有限元分析软件的后处理功能,获得了最大层间位移分布、基底剪力时程和损伤分布与发展等多项结构地震响应结果。通过对比分析原结构和减震结构的相关结果,表明采用非线性粘滞流体阻尼器这一减震方案可以有效降低结构地震响应,提高结构的整体抗震性能,具有良好的减震效果。     

基于响应面法的层间隔震结构地震易损性分析

考虑地震动和结构物理参数不确定性,提出一种基于响应面法的层间隔震结构地震易损性分析方法。以中心复合设计方法建立地震动-层间隔震结构样本,对系统样本模型进行非线性动力时程分析,分别建立层间隔震结构各子结构的响应面模型,在此基础上采用蒙特卡洛模拟获得易损性曲线。分析结果表明,提出的方法计算量少、精度高,有效提高了易损性分析作为层间隔震结构性能评估的时效性,具有较大的工程应用前景。     

基于剪力比的防屈曲支撑-RC框架抗震设计方法研究

该文提出了基于剪力比的防屈曲支撑-钢筋混凝土框架结构抗震设计方法。根据不同的剪力比α设置不同参数的防屈曲支撑并进行了多个不同层数结构的抗震设计;基于大震弹塑性时程分析,研究了不同剪力比结构的最大层间位移角和防屈曲支撑滞回耗能比随剪力比α的关系曲线,并得出剪力比α的合理取值范围为0.3 < α < 0.5。在剪力比合理的取值基础上研究了层间位移角最大值随不同刚度主体框架的变化规律,并建议了主体混凝土框架最大层间位移角的设计取值。该文所提方法简便、实用,为防屈曲支撑耗能减震结构的设计提供了一种新的思路。     

基于剪切型结构的速度脉冲地震地面运动强度表征参数评估

研究速度脉冲型地震地面运动强度表征参数(IM)与剪切型多自由度(MDOF)体系顶层非线性变形需求的相关性,并分析IM的有效性。采用20条速度大脉冲型地震动记录,基于MDOF体系的非线性动力时程分析,研究恒延性水平(μ)条件下速度脉冲地震动IM与MDOF体系最大非线性顶层位移相关性系数的变化规律;通过线性回归和离差分析,分析速度脉冲地震地面运动强度参数的有效性。分析结果表明:结构基本周期与延性水平对相关性和离散性均有较大影响;峰值地面运动速度(PGV)作为IM,相关性系数较大且离差较小,相关性和离差表现较稳定,是较好的速度脉冲地震动IM。     

钢筋混凝土框架结构强柱弱梁整体失效模式可控设计

该文发展了钢筋混凝土框架结构强柱弱梁地震整体失效模式可控设计方法。基于能量平衡概念和塑性内力设计机制,提出了改进的能量平衡方程和塑性内力设计方法来实现具有不同滞回性能结构在不同设防烈度下的结构设计。设计了4个具有不同几何配置的结构,并研究了结构沿楼高的强柱弱梁系数分布。分别对结构进行Pushover分析和22条地震下的大震弹塑性时程分析,研究了结构的整体能力曲线、屈服机制、最大层间位移角分布和柱端弯矩需求。分析结果表明,该文所提方法不需要任何迭代便能实现结构预期的抗震性能和整体失效模式,克服了传统抗震设计需不断试凑迭代来满足抗震性能的缺点。     

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。     

基于概率密度演化理论的结构抗震可靠性分析

运用随机过程的正交展开方法,将地震动加速度过程表示为由10个左右的独立随机变量所调制的确定性函数的线性组合形式。结合概率密度演化方法和等价极值事件的基本思想,研究了非线性结构的抗震可靠度分析问题。以具有滞回特性的非线性结构为例,对某一多自由度的剪切型框架结构进行了抗震可靠性分析。结果表明：按照复杂失效准则计算的结构抗震可靠度较之结构各层抗震可靠度均低。这一研究为基于概率密度函数的、精细化的抗震可靠度计算提供了新的途径。     

速度脉冲地震作用下偏心结构的弹塑性抗震研究

研究速度脉冲地震下,刚度偏心、强度偏心和两者组合偏心体系的弹塑性抗震需求。基于新开发的变轴力-双向弯曲模型,选取8条速度脉冲地震记录,进行了强速度脉冲地震效应和偏心布置双重不利条件下单层RC框架结构的弹塑性动力时程分析,讨论了结构的延性、位移、扭矩和扭转角变化规律。结果表明,偏心结构在速度脉冲工况下比在非速度脉冲工况下有更大的弹塑性抗震需求;刚度偏心对结构弹塑性抗震需求不敏感,强度偏心对弹塑性抗震需求的影响最为显著,组合偏心的影响介于两者之间。随强度偏心率增大,弱侧延性需求呈非线性急剧增大,最大达到对称结构延性需求的3.09倍,位移、扭矩和扭转角也迅速增大,偏心率为0.2时扭转角为偏心率为0.05时的6.4倍;建议偏心结构弹塑性分析时宜增加强度偏心作为基本参数,并考虑速度脉冲地震效应。     

非线性结构地震响应的神经网络算法

提出一种基于长短期记忆(long short-term memory, LSTM)神经网络模型计算非线性结构地震响应的新方法,采用单向多层堆叠式LSTM架构,并借助滑动时间窗实现递推计算。改进了模型预测效果的评价指标,可考虑响应在不同幅值区间的敏感性差异,避免了传统评价指标的相位敏感问题。利用实测地震动和多层框架结构进行了新方法的验证,给出了网络超参数的取值原则,并讨论了不同工况下模型的泛化能力。结果表明,LSTM模型的计算精度较好、对地震动类型具有鲁棒性。由于神经网络模型便于分布式、云部署的特点,该方法可在城市区域地震响应快速模拟等传统数值方法受限的应用场景发挥作用。     

时程分析考虑高阶振型影响的多频段地震波选择方法研究

针对结构抗震时程分析输入地震波选择问题,以加速度反应谱（或设计谱）为目标谱,在反应谱平台段和结构基本周期附近误差双控指标中,引入了由归一化振型参与系数确定的前几阶振型的权重系数,提出了考虑多频段加权匹配的时程分析输入地震波选择方法,以充分考虑高阶振型的影响。以美国SAC Steel Project提出的9层和20层抗弯钢框架Benchmark结构为实例,为方便将建议选波方法与较多地震波输入时程分析结果进行比较,以简单地震信息初选的小型地震波数据库中的20条地震波的均值（放大系数）谱作为目标谱,以这20条地震波时程分析得到的结构最大基底剪力和层间位移角均值为目标反应,前者考虑弹性状态,后者对应弹塑性情况。将按该文方法选出的3条波输入下结构反应均值与目标反应进行了比较分析,初步证实了建议选波方法的可行性。将该文方法与ASCE 7-05地震波输入要求方法对比,在弹塑性反应状态下,两者对结构最大层间位移角沿楼层分布规律的估计以及薄弱层位置的判断均与目标反应较为一致。ASCE 7-05方法输入下结构反应均大于目标反应,偏于安全。而按该文方法输入存在高估和低估结构反应的情况,建议附加\     

Simultaneous optimization of force and placement of friction dampers under seismic loading

It is known that the use of passive energy-dissipation devices, such as friction dampers, reduces considerably the dynamic response of a structure subjected to earthquake ground motions. Nevertheless, the parameters of each damper and the best placement of these devices remain difficult to determine. Some articles on optimum design of tuned mass dampers and viscous dampers have been published; however, there is a lack of studies on optimization of friction dampers. The main contribution of this article is to propose a methodology to simultaneously optimize the location of friction dampers and their friction forces in structures subjected to seismic loading, to achieve a desired level of reduction in the response. For this purpose, the recently developed backtracking search optimization algorithm (BSA) is employed, which can deal with optimization problems involving mixed discrete and continuous variables. For illustration purposes, two different structures are presented. The first is a six-storey shear building and the second is a transmission line tower. In both cases, the forces and positions of friction dampers are the design variables, while the objective functions are to minimize the interstorey drift for the first case and to minimize the maximum displacement at the top of the tower for the second example. The results show that the proposed method was able to reduce the interstorey drift of the shear building by more than 65% and the maximum displacement at the top of the tower by approximately 55%, with only three friction dampers. The proposed methodology is quite general and it could be recommended as an effective tool for optimum design of friction dampers for structural response control. Thus, this article shows that friction dampers can be designed in a safe and economic way.