波谱单元法在空间桁架地震响应分析中的应用

摘 要：针对传统波谱单元法（SEM）只能用于求解节点集中荷载作用下结构动力响应问题的不足,提出了一种通过计算地震等效波谱节点荷载求解桁架结构地震响应的方法。基于虚功原理,利用波谱形函数积分得到地震等效波谱节点荷载的显式表达式,通过修改波谱单元法中单元刚度矩阵的波数,考虑了阻尼对结构动力特征的影响,采用数值拉普拉斯（Laplace）变换替换快速傅立叶（FFT）变换,回避了传统波谱单元法中FFT的周期性问题。利用地震荷载等效后的波谱节点荷载对三维空间桁架结构进行地震响应分析,结果表明,采用本文的方法能方便的计算桁架结构的地震等效波谱节点荷载,精确求解结构的地震响应,与传统有限元法（FEM）相比,大大减少计算单元数量,提高计算精度,且便于编程计算。     

软土浅埋框架结构抗震计算方法评价

摘要：我国地下工程结构的抗震设计主要采用等效静力法,国外则提出了自由场变形法、反应位移法等方法。本文分析评价等效静力法、自由场变形法和反应位移法应用于软土地下结构抗震设计的差异。分析中设定表征软土地下结构的基准模型,并以动力时程分析给出地下结构的地震响应。假定地质条件和结构埋深不变,通过比较分析随基准模型的结构刚度变化时计算变形和内力的差异,评价三种拟静力地下结构抗震设计方法的适用性。结果表明,等效静力法对刚度较大的浅埋框架结构适用性较好,其它情况计算的结构变形和内力偏大;自由场变形法适用于浅埋框架结构刚度较小或与周围地层刚度接近的情况,且倒三角形分布力模式优于集中力模式;反应位移法可适用于不同刚度软土浅埋框架结构的抗震设计。     

考虑SSI三种效应的桩基础RC梁式桥抗震性能评估方法研究

桩-土-桥动力相互作用是桥梁抗震研究的热点和难点问题,需合理考虑地基土柔度效应、运动学效应及阻尼效应的影响。本文采用基于性能点轨迹法的结构非线性静力分析方法,引入FEMA440针对土-结相互作用运动学效应、地基阻尼效应的地震动需求谱修正算法,探讨建立综合考虑桩-土相互作用三种效应的桩基础RC桥梁的抗震性能评估方法。以某高速公路RC连续梁桥为算例,分别以三种设计谱及相应的人工波为输入进行非线性静、动力方法验算对比,两个水准下的计算结果表明本文建议方法在补充考虑后两种效应后,地震响应略小于以考虑第一种效应为主的动力时程法,所建议方法能用于有效评估桩基础桥梁在预期地震需求下的抗震性能。     

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。     

柔性摩天轮结构抗震性能研究

以208 m高的北京某摩天轮结构为研究对象,使用ANSYS对其进行了自振特性和抗震性能分析。首先探讨摩天轮结构自振特性振型特点,并分析了结构随参数变化的自振特性;然后分别采用反应谱法和时程分析法计算多遇地震作用下结构地震响应;最后对结构进行了罕遇地震下弹塑性动力时程分析。研究结果表明:结构基频较低而且结构频谱比较密集,轮盘部分刚度较弱,多数振型以轮盘自身振动为主;在多遇地震作用下,变形指标符合国家现行相关规范要求,整体结构应力水平较低,满足结构弹性、小震不坏的要求;在罕遇地震作用下,摩天轮结构整体结构构件均未屈服并均处于弹性阶段,结构变形指标符合国家现行相关规范要求,抗震性能优于"大震不倒"的抗震性能目标要求。     

基于复阻尼理论的流固耦合地震时程响应研究

在粘滞阻尼系统的地震动力学方程基础上,建立了基于应力相关复阻尼理论的流固耦合地震动力学方程。根据复阻尼系统求解理论,利用Newmark-β积分法,编制了Rayleigh阻尼和复阻尼模型的流固耦合三维有限元程序。以深水薄壁钢管墩柱为例,计算了两种阻尼模型的流固耦合地震时程响应和复阻尼模型的损耗因子;对比分析了无水和有水两种工况下的动力响应,并研究了此两种阻尼模型地震响应的差异。研究表明,在加速度峰值为2m/s2的El-Centro波作用下,应力相关复阻尼方法计算的结构震动响应数值远大于传统的Rayleigh阻尼模型,考虑流固耦合效应时,结构的震动响应是不考虑此效应时的1.5～2倍多;损耗因子随着位移的增大而增大,并且考虑流固耦合效应时的损耗因子明显大于不考虑此效应的损耗因子值。     

考虑碰撞效应的大型渡槽结构地震响应分析

摘 要：针对渡槽在地震作用下伸缩缝处的碰撞现象,建立考虑碰撞效应的渡槽动力分析模型,用非线性地震反应时程分析方法,研究了纵向地震作用下的碰撞效应对于渡槽地震响应的影响,分析比较了单边碰撞与双边碰撞对渡槽地震响应的影响差异,结果表明碰撞对渡槽结构的地震响应状态有所改变,渡槽槽身间的相对位移受碰撞的影响将减小,但碰撞产生的巨大撞击力对渡槽结构有较大危害,研究结果对大型渡槽结构的抗震设计具有一定的参考价值。     

直流换流阀抗震分析技术的研究

直流换流阀是直流输电的核心设备,它的结构抗震性能直接影响整个直流输电系统的地震安全性。而阀结构的抗震研究是阀结构设计时考虑的重要因素之一。阀结构采用避震设计,建立阀三维有限元模型,考虑铰接处旋转刚度影响, 建立理想阀结构和改进阀结构模型,对理想模型用两种程序程。首先计算两种阀结构的动力特性,分析影响动力特性的主要因素;其次利用时程分析研究了它们在水平和竖直激励下的阀结构响应。结果表明,阀结构具有较好的避震能力,在水平地震作用下可能发生低频振荡现象,改进的阀结构改善了阀体在水平地震作用下的结构位移变形。     

复阻尼结构动力方程的高斯精细时程积分法

复阻尼振动系统的瞬态响应通常只能在频域内求解。该文根据复阻尼理论应遵循对偶复化的原则,结合精细积分指数矩阵和高斯积分的运算方法,通过理论推导,给出了复阻尼结构动力方程的高斯精细时程积分法。分别采用Newmark-法和高斯精细时程积分法计算了复阻尼多自由度系统地震时程响应,并与频域法（视为精确解）的计算结果进行比较。结果...     

应用通用程序计算深覆盖土层地震反应的几个问题

讨论了利用ANSYS和LS-DYNA程序进行深覆盖土层地震反应时域计算时所涉及的几个问题。综合前期研究成果,通过对比通用程序的数值计算结果,分析了数值计算时土层计算范围的选取及单元网格划分、阻尼矩阵的形成等对计算精度的影响。分析结果表明:在确定深覆盖土层阻尼矩阵的比例系数时,土层基频与地震激励主要特征频率之间的关系是一个重要影响因素,当前者小于后者,特别是远小于后者时,应基于土层的基频与地震激励的主要特征频率来形成阻尼矩阵的比例系数;竖向、横向网格尺寸及人工边界的选取会对计算的结果造成显著影响。     

复阻尼模型结构地震时程响应研究

阻尼是结构动力分析的重要参数,对动力响应计算的结果有明显影响。目前,结构动力响应分析中的阻尼模型大都采用的是传统的Rayleigh阻尼模型,这种模型是为计算解耦而构造出的,其物理意义不是很明确。该文根据复阻尼系统理论,利用Newmark-β积分法,编制了Rayleigh阻尼和复阻尼模型的三维有限元程序。以三维钢框架结构为研究对象,计算了两种阻尼模型的结构地震时程响应和复阻尼模型的损耗因子,并讨论了不同加速度峰值和时间积分步长对复阻尼结构响应和损耗因子的影响。研究表明:在加速度峰值为2m/s2的El-Centro波作用下,两种阻尼模型的响应相差50%―100%,后者的结构动力响应远大于前者,损耗因子随应力或位移的增大而增大;复阻尼模型结构动力响应和损耗因子的稳定性和精度,与时间积分步长密切相关,不合适的时间积分步长将导致结果发散。     

粘滞阻尼器减震结构的非线性动力分析

基于结构空间杆系-层模型,推导了粘滞阻尼器减震结构的附加阻尼矩阵、动力平衡方程和相对能量方程。在高层建筑结构动力分析程序HBTA中增加对粘滞阻尼器减震结构的非线性动力分析。通过具体算例,验证了本文所建议动力分析方法的正确性,并考察了粘滞阻尼器对结构的减震效果。HBTA程序可以反映结构构件和粘滞阻尼器的内力和变形。对同时包含位移相关非线性和速度相关非线性的结构动力分析做了有益尝试。     

基于等效黏性阻尼模型的非比例阻尼体系反应谱CCQC法

由不同材料组成的混合结构,其阻尼矩阵不再满足与质量矩阵、刚度矩阵的比例关系,具有非比例特性。我国设计规范中常用的振型分解反应谱法是基于比例阻尼建立的,并不严格适用于计算非比例阻尼体系的地震作用效应。该文在基于等效黏性阻尼模型的复模态叠加法基础上,结合虚拟激励法和平稳随机理论,推导了基于等效黏性阻尼模型的反应谱CCQC(Complex Complete Quadratic Combination)法实数表达式,建立了一种解决非比例阻尼混合结构的地震作用效应计算问题的理论方法。算例分析表明:与基于分块Rayleigh阻尼模型的反应谱CCQC法相比,该文建立的基于等效黏性阻尼模型的反应谱CCQC法直接依赖于结构的质量、刚度和阻尼参数,不受振型组合的影响,具有计算结果唯一的优点,且仅涉及位移相关系数的计算;与基于能量法的反应谱CQC法相比,基于等效黏性阻尼模型的反应谱CCQC法可有效考虑结构的非比例特性,适用于非比例特性较强的混合结构。     

梁桥结构地震反应分析中输入地震动选取及调整方法研究

针对桥梁结构地震动分析时所输入地震动选择会影响时程分析结果的可靠性,结合结构动力放大系数基本原理及地震波能量原理,通过分析反应谱型特点,将其拟合归纳为以结构自振周期 范围及规范规定的0.1s-Tg范围分别定义为低频、高频对比区间,以两个区间反应谱曲线包围面积作为对比参数进行自然地震波选择依据。并据所选地震波提出基于两区间的5种天然地震波调整方法。以典型多跨梁桥为例进行数值分析,以桥墩墩底弯矩、剪力和及墩顶位移作为桥梁地震反应统计量。利用统计分析结果验证双参数地震波选择方法及地震波调整方法的合理性及有效性。     

叠层橡胶支座与抗风支座组合隔震反应分析

为研究隔震层增设抗风支座对处于风压较大地区的隔震结构减震效果的影响,以某实际隔震工程为背景, 设定结构水平向减震系数分别小于0.53和0.40的目标,建立有(无)设置抗风支座的两种隔震结构模型,采用时程分析法对比结构在地震作用下的响应。结果表明,相较于抗震结构,两种隔震结构地震响应都有显著的降低;无抗风支座隔震方案增加了LRB数量,满足抗风设计要求,但降低了减震效果;而有抗风支座隔震方案,减少了LRB的数量,提高了减震效果。在正常使用条件和小震作用下,抗风支座参与工作,隔震层不屈服;当结构遭遇中震作用时,抗风支座能屈服并破坏,退出工作,不影响上部结构的减震效果。     

考虑橡胶垫弹塑性性能及结构阻尼比变化的隔震结构动力分析

本文的主要工作:(1) 在一个通用的高层建筑空间动力分析程序HBTA[1]的基础上增加了铅芯叠层钢板橡胶垫的弹塑性本构关系,改进后的程序能够考虑橡胶垫在双向水平力作用下两个方向恢复力和位移相互耦合的弹塑性性能。(2) 为了反应橡胶垫隔震层与上部混凝土结构阻尼比不同的特点,本文还运用线性加速度逐步积分法和Wilson抭法的基本原理,推导出了适用于隔震结构动力方程的逐步积分公式,该公式能够同时进行隔震建筑上部和下部两个子结构动力方程的时程反应计算。笔者对上述工作进行了程序实现和实例计算,结果表明考虑上部结构及橡胶垫隔震层不同阻尼比是完全必要的。     

MTMD-耗能框架填充墙减震数值分析

在多功能围护墙减震结构体系中,围护墙作为一个质量调谐减震阻尼器（TMD）中的质量块,可以克服传统框架结构在动力荷载作用下不能持久耗能的缺点。为了研究新型围护墙减震结构的减震性能,使MTMD减震技术更好的应用于结构设计,结合MTMD体系的减震原理、参数优化设计方法,对MTMD-钢框架结构系统的减震装置参数进行分析;应用SAP2000数值分析软件对结构的振动特性进行计算;采用时程分析法分别对普通钢框架、MTMD减震钢框架的地震反应进行对比分析。计算结果表明：基于多功能围护墙减震结构体系的MTMD钢框架具有显著的减震效果。模态分析得出各阶振动周期相应增大2-3倍;从时程分析结果来看,能够有效地减小结构地震反应峰值,减震效果一般在5%-40%之间。为MTMD在结构抗震方面的设计提供理论依据     

INFLUENCE OF DAMPING MODELS ON DYNAMIC ANALYSES OF A BASE-ISOLATED COMPOSITE STRUCTURE UNDER EARTHQUAKES AND ENVIRONMENTAL VIBRATIONS

Structural design simultaneously governed by earthquakes and environmental vibrations has received a lot of attention in recent years.Base-isolated composite structures are typically used in the above-mentioned structural design.The corresponding analysis involves validating structural safety under earthquakes and human comfort under environmental vibrations through a time-history analysis.Thus,a reasonable damping model is essential.In this work,the representatives of viscous damping model and rate-independent damping model,namely the Rayleigh damping model and uniform damping model,were adopted to investigate the influence of damping models on the time-history analysis of such structural designs.The energy dissipation characteristics of the above-mentioned damping models were illustrated via a dynamic test of recycled aggregate concrete specimens.A case study was performed on a base-isolated steelconcrete composite structure.The dynamic responses under the excitation of earthquakes and environmental vibrations were compared using different damping models.The uniform damping model was found to be more flexible than the Rayleigh damping model in dealing with excitations with different frequency components.The uniform damping model is both theoretically advantageous and easy to use,demonstrating its potential in dynamic analysis of structures designed simultaneously governed by earthquakes and environmental vibrations.     

地震作用下大型升船机结构的响应特征分析

从振动力学的角度,以某大型升船机建筑结构为背景,对升船机结构的动力特性及在地震作用下升船机结构的确定性和随机反应特征进行了较系统的分析。首先建立了升船机建筑结构的三维分析模型,对升船机结构进行了动力特性及时程响应特征分析。然后,在总结与分析有关地震动随机模型研究成果的基础上,通过比较,选择了具有较全面描述输入地震动随机特性的数学模型,并对升船机结构的功率谱响应特征进行了分析。最后,基于上述结构反应特征分析,给出了升船机建筑结构抗震可靠度计算模型的适用性建议。     

多点激励下绝对位移直接求解算法的误差频域分析

多点激励地震响应分析时,相对运动法将结构内部节点绝对位移分解成拟静位移和动态位移两部分分别进行求解,而绝对位移直接求解法直接对内部节点绝对位移进行求解,在两种求解算法中,阻尼分别假定与内部结点相对速度、绝对速度成比例。两种算法的阻尼假定不同可能会引起计算结果误差,在瑞利阻尼、单元阻尼模型下,采用随机振动方法对两种算法计算结果误差在频域内进行了理论分析,指出了瑞利阻尼模型下两种算法求得的结构动态内力功率谱密度误差主要受结构阻尼比、激励频率与结构基频率比值影响,但单元阻尼模型下两种算法得出的动态内力功率谱密度不存在误差。最后从概率意义上指出：瑞利阻尼模型下,两种算法得出的结构内力响应方差的误差随结构阻尼比的增大而增大,当结构阻尼比不大于5%时,两种算法计算结果误差很小。