基于部分分层抽样的高墩桥梁随机地震响应分析EI北大核心CSCD

为了表征桥梁结构不确定性和随机参数相关性对桥梁结构抗震性能的影响,从概率角度对桥梁进行抗震性能分析,基于部分分层抽样原理建立了时-频非平稳地震作用下桥梁非线性随机地震响应分析方法。基于地震动演化功率谱,采用谱表示方法生成非平稳地震动样本,并采用基于正交函数的思想对谱表示方法中的随机变量进行模拟,通过两个基本随机变量表征地震动的不确定性;采用基于数论的部分分层抽样方法对地震动-结构随机变量抽样,从而对桥梁非线性随机地震响应进行模拟,减小桥梁随机地震响应分析中的抽样方差;以一座实际高墩连续刚构桥为数值算例,对其进行了非线性随机地震响应分析,详细研究了桥梁结构不确定性和随机参数相关性对其地震可靠度的影响。研究结果表明:随机地震作用下,桥梁随机地震响应是典型的零均值非平稳随机过程,从地震动开始到结束,桥梁结构地震响应概率密度曲线存在由窄边宽,再由宽变窄的演化过程;随机地震作用下,桥梁结构关键响应的平均峰值因子存在一定差异,其通常在1.8~2.2变化;桥梁结构不确定性和随机参数相关性对高墩桥梁地震响应极值分布和地震可靠度的影响较为显著,忽略桥梁结构的不确定性和随机参数相关性将高估桥梁结构的地震可靠度。     

基于结构响应极值前四阶矩的桥墩抗震可靠度

为研究桥墩非线性地震响应下的抗震可靠度,引入随机函数-谱表示模型与高阶矩法,提出了基于结构响应极值前四阶矩的桥墩抗震可靠度分析方法。考虑三线型恢复力模型,建立了桥墩的单墩模型;利用随机函数-谱表示模型生成非平稳地震加速度时程样本并对桥墩进行非线性时程分析,在此基础上,建立了结构响应极值前四阶矩(均值,标准差,偏度和峰度)的计算框架;最后,考虑桥墩位移界限,给出了桥墩位移的功能函数,进而利用高阶矩法计算桥墩抗震可靠指标。通过对桥墩结构分析,验证了该方法的高效性与精确性;计算结果表明:与Monte Carlo模拟结果相比,该方法计算的前四阶矩、抗震可靠指标(失效概率)的最大相对误差分别为0.28%,1.92%(4.92%),该方法为桥墩抗震可靠度评估提供了一种有效的途径。     

基于部分分层抽样的高墩桥梁随机地震响应分析

为了表征桥梁结构不确定性和随机参数相关性对桥梁结构抗震性能的影响,从概率角度对桥梁进行抗震性能分析,基于部分分层抽样原理建立了时-频非平稳地震作用下桥梁非线性随机地震响应分析方法.基于地震动演化功率谱,采用谱表示方法生成非平稳地震动样本,并采用基于正交函数的思想对谱表示方法中的随机变量进行模拟,通过两个基本随机变量表征...     

非平稳随机地震作用的结构整体可靠度分析

应用随机过程的正交展开-随机函数方法,建立了非平稳地震动过程的概率模型,实现了用一个基本随机变量来表达地震动过程的目的。通过选取基本随机变量的代表性离散点集,可以直接获取地震动过程的代表性样本集合。结合概率密度演化理论,进行了多自由度Duffing系统的随机地震反应分析与抗震可靠度计算。研究表明,非平稳地震动过程的概率模型与概率密度演化理论有机结合,可以实现复杂工程结构整体抗震可靠度的精确计算。     

基于随机函数-谱表示的高阶矩结构动力可靠度分析方法

基于随机函数-谱表示模型,提出了结构响应极值前四阶矩的计算方法 ,发展了非高斯随机激励下的结构动力可靠度分析的高阶矩方法:(1)修正了随机函数单个基本随机变量的离散点集表达式;(2)根据修正的离散点集生成少量的非高斯加速度时程样本并进行结构时程分析,从而估计得到结构响应极值的前四阶矩(均值、标准差、偏度、峰度);(3)提出了四阶矩可靠指标的完整表达,并应用于计算在非高斯随机激励下的结构动力可靠度。最后,以双自由度系统及八层框架结构的动力可靠度分析为算例,验证了本文方法的精确性与高效性:在样本数量明显减少的情形下,本文方法计算的前四阶矩与Monte Carlo模拟结果相比最大相对误差为5.54%,且动力可靠度分析结果几乎一致。     

基于局部平稳法的粘滞阻尼被动控制结构抗震可靠度分析

针对基于确定性激励的被动控制装置参数设计不具有普遍性的问题,提出了粘滞阻尼被动控制结构在一般非平稳随机地震动作用下抗震可靠度分析的局部平稳法。首先基于非平稳随机过程的局部平稳小波模型,提出了适用于临界阻尼比较大的粘滞阻尼被动控制结构的非平稳地震动输入-多自由度（受控）结构位移响应输出的功率谱关系。其次,根据超越过程的Markov过程假定及各阶响应谱矩,得到了受控结构层间位移的动力可靠度。数值分析结果表明：粘滞阻尼器在不同层间的配置,对受控结构的层间动力可靠度有显著影响。最后,以一个6层剪切型多自由度结构为例,对比了Monte Carlo模拟估计与本文所提方法计算的结构动力可靠度,验证了该方法的可靠性与高效性。     

地震波随机模型对隔震结构地震需求分析的影响

利用谐小波变换对实际强震记录的时变谱进行估计,并统计分析了与抗震规范相容的3类不同场地上地震波的时变谱特征,利用均匀调制非平稳随机模型和时变修正Kanai-Tajimi非平稳随机模型模拟地震波的时变谱,把非线性函数的参数识别问题转化成求解无约束优化问题,利用拟牛顿迭代法求得最优解,得到3类不同场地上这两种模型的参数的具体取值以及参数函数集的具体表达式;研究了以谱强度因子的平方根为强度参数的双向地震动作用下隔震结构概率地震需求分析的步骤,对比了不同的地震动随机模型对隔震结构概率地震需求分析的影响,研究发现在小震作用下,地震动随机模型对隔震结构的地震响应影响不大,但在大震作用下,地震动随机模型对结构响应有较大影响,而且,对于不同场地类别,地震动随机模型对隔震结构概率地震需求分析的影响也不相同.     

基于矩方法的特高压输电塔抗风可靠度分析

该文研究特高压输电塔抗风可靠度。基于等效随机静风荷载模型,引入矩方法分析特高压输电塔的抗风体系可靠度。该方法基于等价极值事件,利用统计矩点估计法求解得到等价极值变量前四阶统计矩信息后,即可方便地获得特高压输电塔体系可靠度指标及相应失效概率。1000kV级特高压SZT2钢管塔的数值算例分析表明:1) 矩方法简单、高效,将其运用于特高压输电塔抗风可靠度分析切实可行,具有重要的理论意义和工程实用价值;2) 在采用点估计法进行等价极值变量统计矩估计时,所取估计点数目应依据失效概率收敛情况而定,并非任意选取或取得越多越好。     

地震动过程的时域降维建模

地震动建模是工程结构随机地震反应和动力可靠度分析的基础。为此,提出了一类新的地震动过程的时域降维模型,并建议了模型中确定性参数的取值及随机参数的概率分布。首先,从平稳过程时域表达的基本理论出发,导出了平稳和非平稳地震动过程的时域表达形式,通过引入随机函数的降维思想,实现了地震动过程的时域降维表达。同时,基于实测强震记录,给出了地震动时域降维模型的参数识别方法,进而获得模型中基本参数的确定性取值或概率分布。最后,通过地震动过程的降维模拟分析,并与实测强震记录的反应谱和傅里叶幅值谱对比分析。结果表明,地震动过程的时域降维模型具有良好的精度、收敛性和工程适用性,生成的代表性地震动时程能够反映地震动的自然变异性。     

基于时-频包线的非平稳地震动合成及其对结构非线性响应的影响

地震动频率非平稳特性对结构的非线性响应有重要影响。引入具有统计参数的时-频包线函数来近似模拟地震动频率非平稳特性,建立了以反应谱为目标的非平稳地震动拟合方法。以天然地震动为种子,设计了4种时程拟合方案,得到了满足相同目标谱的4组加速度时程,结果分析表明,(1)本文建立的地震动拟合方法,能够很好地保留原始地震动的非平稳特性和持续时间,且拟合精度较高;(2)基于实际地震动提取的时-频包线函数,能够较好地模拟地震动频率的非平稳特性;(3)基于统计参数定义的时-频包线函数能够近似模拟地震动频率非平稳特性,与真实地震动频率随时间的变化规律符合较好。以这4组地震加速度时程作为输入,分别对层数为7层和15层的规则钢筋混凝土框架结构进行三维非线性时程分析,结果表明,采用仅考虑强度非平稳特性的地震输入,存在低估规则钢筋混凝土结构非线性响应的风险,因此在人工合成地震动中应该考虑其频率的非平稳特性,合理估计结构的非线性响应,保证结构设计的安全性。     

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。     

考虑场地效应的建筑群动力可靠度PDEM评估

城市建筑群的动力可靠度评估对于区域防灾减灾具有重要意义。场地效应会导致地震动的空间变异性和土-结构相互作用效应,进而显著影响区域建筑群的非线性地震响应,而确定性区域震害模拟方法仍不足以准确反映随机建筑群动力系统的整体性态。该研究引入实测地震动场和土-结构相互作用效应,发展了建筑群系统非线性地震响应时域求解方法,并遵循概率守恒假定,建立基于概率密度演化方法(PDEM)的建筑群系统动力可靠度评估框架。以某高层框架结构建筑群为例,进行了场地效应下确定性建筑群非线性地震响应分析,进而完成了随机建筑群动力可靠度评估,并评估了场地效应对建筑群系统动力可靠度影响,得到了有益结论。     

基于等概率近似变换的 向量型层递响应面法分析结构可靠度

基于正交变换和等概率近似变换,研究建立了随机变量为非高斯互相关的工程结构可靠度分析的向量型层递响应面法。首先利用正交变换将非高斯互相关随机变量变换为互不相关的非高斯标准随机变量,建立结构总体刚度矩阵和荷载列阵,据此定义预处理器并形成预处理随机Krylov子空间,进而利用该空间的层递基向量将结构总体节点位移向量近似展开,建立关于互不相关非高斯标准随机变量的层递响应面;然后根据等概率近似变换,将独立标准正态空间的样本点转换为层递响应面在非高斯空间中的概率配点;最后通过回归分析确定层递响应面待定系数,并利用层递响应面建立极限状态方程求解结构可靠度。分析表明:该文提出的等概率近似变换方法不仅成功地将层递响应面法拓展到非高斯互相关随机变量下的结构可靠度分析,而且方法简便、适用范围广、计算精度和效率较高,具有良好的全域性。     

黏弹性隔震系统非均匀与完全非平稳地震响应解析分析

为建立设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能结构及阻尼器系统的抗震动力可靠度分析方法,提出了在非扩阶空间上,基于非均匀和完全非平稳地震激励下,设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能隔震系统响应的通用解析解。对于设置支撑的实用黏弹性阻尼器做等效变换,并建立隔震结构系统的运动方程,在非扩阶空间上获得系统在任意激励和非零初始条件下瞬态响应的非正交模态叠加精确解。基于地震动的强度非平稳和频率非平稳,获得了耗能隔震结构位移、速度,阻尼器受力、受力速度,支撑位移、速度以及阻尼器位移、速度的非平稳均方响应通用解析表达式,并具体得到经典均匀与非均匀调制非平稳随机地震激励和C-P完全非平稳地震动功率谱模型的具体响应解析解。通过结构系统各响应基于该方法的频响函数与直接求解的频响函数对比验证了该方法的正确性。该分析方法的建立为设置支撑的实用黏弹性阻尼器耗能结构及阻尼器系统的抗震动力可靠度分析乃至抗震设计方法的研究提供了一套新的分析途径。     

非平稳激励下绝对位移直接求解非线性结构的时频分析EI北大核心CSCD

强震作用下地震动能量的时-频演变特性对迟滞非线性的结构有着极大影响,然而通用有限元软件现有的计算模块进行频域分析时不能对非线性结构输入解耦的EPSD矩阵,限制了随机振动理论对大型复杂结构的仿真计算。将绝对位移直接求解的虚拟激励法引入多维多点的非线性动力方程,通过APDL的外部程序调用接口对非平稳地震动EPSD矩阵进行解耦与降维处理,并转化为独立于时间变量的四维均匀调制激励矩阵,实现对非线性结构精确高效的非平稳激励动态输入与随机动力响应的计算求解。最后以一座中承式三跨钢管混凝土系杆拱桥为例,计算拱肋、拱脚和桥面系响应的时变功率谱及方差。结果表明,绝对位移直接求解的激励输入方式很好地模拟了非线性结构体系所带来的时滞现象,为通用有限元软件实现非线性结构多维多点非平稳激励随机响应的求解与分析提供了可行性依据。     

包装件在非高斯随机载荷下响应特征分析方法研究EI北大核心CSCD

在运输过程中,包装件经常受到非高斯随机振动的作用,在进行包装系统优化时,经常需要重复确定包装件加速度响应的统计特征和振动可靠性,该研究提出一种高效准确确定非高斯随机振动条件下非线性包装件加速度响应统计特征的分析方法。采用非高斯Karhunen-Loeve展开将非高斯随机振动表示为非高斯随机变量的线性组合,用一阶泰勒展开估计包装件加速度响应,确定加速度响应的统计矩参数,根据包装件加速度响应的前四阶矩参数,应用鞍点估计法确定包装件加速度响应的概率密度函数(probability density function, PDF)和累积分布函数(cumulative distribution function, CDF)。由于采用随机变量的线性组合模拟非高斯随机振动激励,避免了随机变量非线性变换,采用一阶泰勒展开估计包装件加速度响应具有良好的准确性,鞍点估计法分析包装件加速度响应的PDF和CDF,避免了大量蒙特卡洛或拟蒙特卡洛分析,提高了分析效率。     

基于非线性有限元和响应面方法的海底管道受坠物撞击损伤的风险分析

海底管道受撞击过程涉及非线性及管土耦合(海床柔性,埋深)作用,传统的风险分析方法难以考虑上述因素,无法有效指导工程设计。针对上述问题,同时考虑到相关变量的随机性,提出了海底管道受坠物撞击损伤的可靠度分析模型。基于Python二次开发技术将非线性有限元分析方法与响应面法耦合,构建结构的极限状态曲面并求解相应的失效概率。将有限元分析结果及失效概率估计值分别与物理模型试验值和Monte Carlo法的估计值进行对比,验证了模型的合理性。结合工程实例,分析海床柔性、埋深对管道失效概率的影响,并对相关随机变量的敏感性进行分析。结果表明:该模型可以考虑复杂非线性因素,更加精确地估计失效概率;考虑海床柔性时,管道的失效概率可降低至不考虑该因素时的千分之一;为降低坠物损伤风险,应结合工程海域的冲击能量确定管道的合理埋深;作为随机变量的管道钢材料屈服强度、壁厚、管径,三者的变异性对失效概率的影响依次降低。研究结果对管道的风险评估及安全埋深设计具有指导意义。     

非负矩阵分解在地震作用下结构随机响应分析中的应用

地震动作为一类典型的非平稳随机过程可由演变谱刻画其能量的时-频分布。然而,演变谱的时-频耦合特性却限制了经典谱表示法的模拟效率。为提高非平稳地震动模拟效率,简化非平稳地震作用下结构随机响应分析,提出了基于非负矩阵分解(nonnegative matrix factorization,NMF)的地震动演变谱解耦方案,使结构在非平稳地震作用下的响应计算简化为各项均匀调制激励下的结构随机响应叠加。分析结果表明,基于非负矩阵分解的地震动演变谱解耦具有良好的精度,快速傅里叶变换技术的引入提高了经典谱表示法的模拟效率,模拟样本自相关函数与目标值吻合良好,非平稳地震作用下结构随机响应频域分析得到简化。     

复合随机振动系统的动力可靠性矩独立重要性测度及态相关参数解法

针对激励与结构参数同时存在不确定性的复合随机振动系统,由随机结构无条件动力可靠度表达式出发,利用条件概率密度函数解析变换给出衡量基本随机变量对动力可靠性影响的矩独立重要性测度指标。该指标可表征不确定性随机变量对动力可靠度响应量分布的平均影响程度,可全面反映随机变量对响应分布影响。基于状态依存参数模型,提出求解矩独立重要性测度指标的态相关参数(SDP)法。利用算例分析结构动力可靠性参数的矩独立重要性测度,并与直接Monte-Carlo法对比。所提方法可在保证计算精度同时大幅度提高计算效率,适用于分析复合随机振动系统非线性可靠性响应。     

空间相关多点地震位移输入峰值控制对结构非线性响应的影响

在空间相关多点地震动人工拟合中,一般控制大跨结构不同支撑点处的地震加速度反应谱及加速度峰值相同,而相应于不同支撑点处位移时程的峰值则是不同的。为了研究地震动特性及不同的位移控制条件对结构响应的影响,引入两种不同的包线函数分别模拟地震动强度或频率非平稳特性,并且按照控制不同支撑点处时程的加速度峰值或位移峰值相同,拟合了6 组空间相关多点地震动;采用多点地震动加速度/位移输入模式,对三跨连续梁桥进行了非线性响应分析。结果表明：控制地震位移时程的峰值对结构的内力和位移响应有较大的影响,位移峰值越大,结构进入的非线性程度越深,得到的结构响应越大,且与位移时程的形状无明显相关性;以加速度反应谱和加速度峰值为目标的地震动拟合中,各支撑点处位移时程的峰值离散性比较大,为了保证结构的安全,空间相关多点地震动拟合中应控制位移峰值的最小取值;地震加速度时程的频率非平稳特性对桥梁位移和桥墩扭矩影响较大,如果仅考虑地震动强度非平稳特性,则存在低估结构响应的风险。因此,大跨结构抗震分析中应合理刻画地震动时间-空间耦合特性、非平稳特性及位移输入的最小峰值,充分估计结构的非线性响应,以保证结构抗震设计的安全性。