减隔震连续梁桥非经典阻尼问题与地震响应简化分析

针对减隔震连续梁桥地震响应简化分析面临的非经典阻尼问题,以铅芯橡胶支座为例,对比直接积分结果与强迫解耦后的模态时程结果以研究非经典阻尼的影响,并利用线性滞回阻尼特性建立由减隔震装置等效阻尼比计算结构模态阻尼比的方法,在此基础上采用基于反应谱的简化方法计算地震响应,并与非线性时程结果进行比较.分析结果表明:减隔震装置产生的集中阻尼改变结构整体阻尼分布特性,非经典阻尼对结构地震响应的贡献随等效模态阻尼比增加而增大;将减隔震装置等效线性化后,再用反应谱方法按等效线性模型计算结构的地震响应,所得桥墩内力和主梁位移都不一定是可能的最大值,计算结果偏于不安全.     

高层基础隔震建筑非平稳随机响应改进算法

利用虚拟激励法和等效线性化技术,计算了基础隔震高层建筑的非平稳随机响应。研究了高阶振型对高层隔震建筑响应的影响,提出了针对基础隔震结构随机响应分析的改进算法。计算中假定隔震建筑上部结构在大震作用下依然保持弹性状态,塑性变形集中在隔震层处,隔震层的恢复力-位移本构关系采用Bouc-Wen模型来描述。上部结构只需要提取前若干阶振型参与动力计算,剩余的高阶振型对结构响应的贡献按照静力校正技术求得。研究表明,改进的计算方法在没有显著增加计算量的同时,通过近似考虑高阶振型的影响,有效地提高了计算的精度。     

三维地震下层间隔震高层建筑结构地震响应研究

实际地震具有多维特性,只考虑水平地震作用往往不够真实全面。基于此,建立某高层框架-核心筒层间隔震结构模型,在8 度罕遇地震下,输入一维、二维、三维地震,对设置传统水平隔震支座的层间隔震高层建筑结构,进行动力弹塑性时程分析。三维地震激励下,层间隔震高层建筑结构地震响应增大,采用传统水平隔震支座容易出现拉应力超限问题。针对边缘隔震支座出现的拉应力超限问题,设置三维隔震支座结构,并与传统水平隔震支座结构进行分析对比。结果表明：采用三维隔震支座后,解决了拉应力超限问题;结构的层间位移、基底剪力、楼层加速度均明显减少且结构核心筒损伤程度减轻,并且对竖向地震力也具有良好的控制效果,说明三维隔震支座隔减震性能优于传统水平隔震支座。     

环境激励下基础隔震结构的主要动力特性研究

通过对两栋基础隔震建筑在环境激励下的振动测试,运用随机子空间识别法和有理分式多项式法分别识别了结构的模态频率、振型和模态阻尼比。识别结果表明在环境激励下,基础隔震结构的基本频率远大于设计计算多遇地震工况下的基本频率;等效黏滞阻尼比很小,与未隔震结构的阻尼比相当,可以将基础隔震结构视为经典的比例阻尼系统。进一步以其中一栋为研究对象,以识别的模态参数作为修正基准,采用多目标优化的方法反演了环境激励下隔震层的实际水平等效刚度,结果表明其值为多遇地震下计算刚度取值的10.9倍。最后,基于反演的实际隔震层的水平等效刚度对结构的初始有限元模型进行了修正,并对修正后的模型进行了数值分析,分析结果与实际测试结果的对比表明修正后的模型可以更好地反映基础隔震结构在环境激励下的动力特性。     

多维非平稳随机激励下隔震曲线梁桥的非线性振动控制EI北大核心CSCD

隔震曲线梁桥的平面不规则性引起的弯扭耦合效应,使其地震响应与隔震直梁桥相比更加复杂,为了有效的抑制隔震曲线梁桥地震中过大的梁体及支座位移,采取半主动控制策略来保证其安全性。采用经典的Bouc-Wen模型,建立考虑上部结构偏心的隔震曲线梁桥非线性振动控制方程,将该方程等效线性化后,输入考虑扭转分量的多维非平稳随机激励。利用混合精细积分法对无控、经典最优控制(COC)以及序列最优控制(SOC)后的隔震曲线梁桥进行随机响应分析。结果表明:在罕遇非平稳随机激励下,隔震曲线梁桥的动力响应呈现出非平稳特性,且考虑扭转分量的多维非平稳随机激励对隔震曲线梁桥动力响应影响要大于未考虑扭转分量下的;运用经典最优控制以及序列最优控制控制下的隔震曲线梁桥各个方向的的动力响应都有明显的减小,且结构动力响应的非平稳特性也得到了明显的抑制。     

高层隔震结构单质点模型的地震响应单纯质点法研究

提出了可以快速计算高层隔震结构地震响应的单纯质点法.这种方法基于基底剪力及能量等效原则,建立简化单质点分析模型与原结构模型之间的转换关系及模型参数取值,引入能量平衡方法计算简化分析模型的包络反应,最后利用能量平衡原理及模型参数转换关系,来预测原高层隔震结构的各层地震反应包络值.给出了分析高层隔震结构加速度、隔震层及上部结构的层间变形、层间剪力等预测计算式.通过22层高层隔震结构工程实例来验证单纯质点法的有效性及计算精度,分析结果表明:简化计算结果与多质点模型时程分析法计算结果相当.所提计算方法计算量少,参数取值明确方便,同时具有良好的地震响应分析精度.     

核电厂隔震结构的振动台试验研究

将基础隔震技术应用于核电厂的设计和建造,不仅可以实现上部结构和内部设备、管道的标准化设计,缩短设计和建造周期,提高核电厂建设的经济性,而且可以提高结构的抗震裕度,有效抵抗超过设防烈度的地震动。为此,该文分别采用传统橡胶隔震支座和厚层橡胶隔震支座,制作传统水平基础隔震模型和三维基础隔震模型,结合油阻尼器控制核电厂结构的地震响应。通过振动台试验和数值模拟,对比了隔震模型和非隔震模型在时域和频域的地震响应。研究表明,在水平方向,两种隔震结构的水平加速度相对于非隔震结构均可以降低约50%;在竖直方向,三维隔震结构的楼层反应谱峰值向低频2Hz~3Hz移动,避开了设备和管道的主频率范围10Hz~20Hz,即可以实现设备和管道的竖向隔震。同时,试验和分析均证明对隔震层附加约为15%的水平阻尼比,可以有效降低结构的地震响应,并使水平楼层反应谱峰值减小约50%。     

不同高宽比基础隔震高层结构振动台试验研究及对比分析

为研究基础隔震高层结构的动力特性及地震响应规律,进行不同高宽比基础隔震高层结构在不同地震水准、不同地震激励下的模拟振动台试验,并与非隔震结构对比。模型采用缩尺7层钢框架结构,隔震支座用6件铅芯叠层橡胶支座,通过移动支座位置实现不同隔震高宽比。结果表明,高宽比为3、5、7基础隔震结构较非隔震结构自振周期从0.267 s分别延长至0.549 s、0.719 s、0.800 s,设防地震作用下结构顶层最大加速度响应从0.61 g减小至0.15 g、0.16 g、0.18 g。隔震后上部结构整体侧移角随高宽比增大而增大,结构整体抗倾覆性能随高宽比增大而减小。用三维实体有限元模型对试验进行数值模拟分析,试验结果与数值结果吻合较好,说明试验具有良好的准确性且可反映基础隔震结构的真实动力特性。     

基础隔震结构的运动方程与阻尼矩阵在动力响应分析中的适用性研究

结构阻尼模型和运动方程是影响结构抗震动力分析精度的关键因素。由于基础隔震结构地震响应具有显著的特殊性,因此普通非隔震结构地震响应算法未必适用。基于这一认识,重点研究基础隔震结构动力分析方法中采用的各种模型,考虑基于不同地震动输入的结构阻尼模型和运动方程。研究发现,采用现有常规方法构造隔震结构阻尼模型时,上部结构会随着隔震支座发生刚体位移时产生阻尼力,这将可能导致计算精度的显著降低。针对这一问题,提出了确定基础隔震结构阻尼矩阵的一般方法,给出了基于上部结构阻尼矩阵和隔震层阻尼常数的通用表达式。采用隔震结构剪切型模型,给出了结构矩阵的解析表达式,并以此为基础进行了算例验证。研究结果表明,目前常用的隔震结构阻尼模型可能会高估结构的阻尼作用,从而低估结构响应;采用位移输入模型会高估隔震层相对位移、低估上部结构响应,当隔震层等效阻尼比达到0.3时,相对偏差可达到34.6%和-31.1%,而采用位移-速度输入模型可得到与加速度输入模型一致的分析结果,故应采用位移-速度输入模型代替传统的位移输入模型。     

高层隔震结构双质点模型的地震响应单纯质点法研究

文中针对高层隔震结构的双质点简化模型提出了可快速计算其地震响应的单纯质点法,该方法基于基底剪力及能量等效原则来建立简化两质点分析模型与原结构模型之间的转换关系及简化模型的参数取值,推导得到了确定地震反应的两个关键参数：刚度转换系数和质量比。研究基于能量平衡方法提出了高层隔震结构简化分析模型包络反应的计算式,并通过利用能量平衡原理及模型参数转换关系来预测原高层隔震结构的各层地震反应包络值。文中对22层高层隔震结构工程实例首先进行了双质点模型的转化,其后验证了单纯质点法的有效性和分析精度,分析结果表明新方法计算结果与多质点模型时程分析法计算结果相近,且能包络上部结构各层地震响应。本文所提方法计算量少,参数取值简便,可用于高层隔震结构地震响应的初步分析。     

Pseudo-force method for a stochastic analysis of nonlinear systems

Nonlinear systems, driven by external white noise input processes and handled by means of pseudo-force theory, are transformed through simple coordinate transformation to quasi-linear systems. By means of Itô stochastic differential calculus for parametric processes, a finite hierarchy for the moment equations of these systems can be exactly obtained. Applications of this procedure to the first-order differential equation with cubic nonlinearity and to the Duffing oscillator show the versatility of the proposed method. The accuracy of the proposed procedure improves by making use of the classical equivalent linearization technique.     

高斯激励黏弹性夹层梁的非线性随机响应特性

黏弹性夹层梁的随机振动控制是一个重要的实际问题。基于性能可控黏弹性体的夹层梁具有无需改变结构设计的可优化性而倍受关注。虽然关于该可控黏弹性夹层梁的振动已有一定研究,但所用的动力学模型在几何或物理上是线性的,而对于较强激励情况则需要考虑非线性因素。首次考虑该黏弹性体的物理非线性,建立黏弹性夹层梁及其支承质量系统的非线性运动微分方程,并离散化为多模态耦合的非线性振动方程;对于平稳随机激励,运用统计线性化法推导等价拟线性系统,并计算系统的随机响应,得到黏弹性夹层梁非线性随机振动的均方位移,及等价的频响函数和功率谱,用以评价可控黏弹性夹层梁的响应抑制性能。     

二元机翼非线性颤振系统的若干分析方法

颤振是气动弹性力学研究最重要的问题之一。本文综述了亚音速条件下二元机翼非线性颤振研究的若干分析方法。目前,基于二元机翼的非线性颤振分析采用的定性方法主要是常微分方程定性理论,定量方法则有等效线性化法、描述函数法、谐波平衡法以及摄动法等。对所提及的方法做了简要的评述和比较,指出了进一步研究的问题。     

微分对接条件对次谐共振影响的研究

根据模态综合法并借助二阶非完整约束系统的Routh型方程,建立了考虑全部代数和微分对接条件下,非线性转子—支承系统的运动微分方程。然后采用一种新的等效线性化技术,求解系统的次谐共振,大大简化了分析过程并提高了计算效率。通过对对接条件之作用的定量研究,结果表明:微分对接条件对次谐共振影响较大,而由不独立的微分对接条件转化得来的代数对接条件,对次谐共振影响很小;考虑微分对接条件,能明显提高方法的收敛速度。因此,应当考虑微分对接条件,尽管这会增加推导工作量和综合后矩阵的阶数,但并不影响计算效率。     

Approximate solution for nonlinear random vibration problems by partial stochastic linearization

The accuracy of the stochastic linearization methods is improved by the proposed method of partial stochastic linearization, in which only the nonlinear damping force in the original system is replaced by a linear viscous damping, while the nonlinear restoring force remains unchanged. The replacement is based on the criterion of equal mean work, performed by the nonlinear damping force in the original system and its linear counterpart. The resulting nonlinear stochastic differential equation is then solved exactly, keeping the equivalent damping coefficient as a parameter, which can be determined for a specific system by solving a nonlinear algebraic equation.     

Response analysis of Van der Pol oscillator subjected to harmonic and random excitations

The response of the Van der Pol oscillator subjected to combined harmonic and random excitations is investigated by a technique combining two excellent methods, namely the stochastic averaging method and the equivalent linearization method. The original equation is averaged by the stochastic averaging method at first. Then the resulting nonlinear averaged equations are linearized by the equivalent linearization method so that the equations obtained can be solved exactly by the technique of auxiliary function. The mean square response of the Van der Pol oscillator is computed algebraically and compared to the ones obtained by numerical simulation and by technique combining methods of stochastic averaging and equivalent non-linearization. The results show that the proposed technique gives a good prediction on mean square responses of the Van der Pol oscillator. In addition, the proposed technique can be applied to other nonlinear systems for it does not require any special conditions, and it can be improved by advanced optimization criteria of the equivalent linearization method.     

Analysis of photometric factors based on photometric linearization

We propose a method for analyzing photometric factors, such as diffuse reflection, specular reflection, attached shadow, and cast shadow. For analyzing real images, we utilize the photometric linearization method, which was originally proposed for image synthesis. First, we show that each pixel can be photometrically classified by a simple comparison of the pixel intensity. Our classification algorithm requires neither 3D shape information nor color information of the scene. Then, we show that the accuracy of the photometric linearization can be improved by introducing a new classification-based criterion to the linearization process. Experimental results show that photometric factors can be correctly classified without any special devices. A further experiment shows that the proposed method is effective for photometric stereo.