双向地震激励和P-效应对延性需求的影响

利用规一化位移作为控制参数,以圆形屈服面来描述双向规一化抗侧恢复力之间的耦合效应,且综合考虑P-效应、强度退化、刚度退化、应变硬化等因素的影响,建立了双向地震作用下非弹性双自由度体系地震动力响应分析的新型双轴Bouc-Wen模型。结合69条地震记录,定量地分析了双向地震激励和P-效应对延性需求的概率统计特征的影响。计算结果显示：双向地震激励和P-效应对延性需求的影响较大,且影响程度对结构参数的取值比较敏感;长周期体系的延性需求可以描述为Lognormal或Frechet分布,而短周期体系的延性需求描述为Frechet分布更为合理;双向地震激励下的延性需求可以近似表达为单向地震作用下延性需求的平方和开平方。     

考虑退化、捏拢和双向耦合效应的等强度延性需求谱

传统的等强度延性需求谱通常难以有效地考虑强度退化、刚度退化、捏拢效应以及双向恢复力耦合效应的影响。鉴于此,基于双轴Bouc-Wen-Baber-Noori模型,建立了双向地震激励作用下单质点双自由度体系非弹性地震反应谱的基本方程,并定量分析了强度退化、刚度退化、捏拢效应和双向恢复力耦合效应对结构地震延性需求的影响,进而分别建立了等强度延性需求的均值谱和标准差谱的预测方程。分析结果表明:强度退化、刚度退化和捏拢效应会增大结构的地震延性需求;双向恢复力的耦合效应对地震延性需求的影响,取决于结构沿两个主轴方向地震耗能能力的相互竞争;退化、捏拢和耦合效应会明显增大结构地震延性需求的标准差,且非线性程度越高,随机性表现越明显;随着结构沿两个主轴方向自振周期的增加,等强度地震延性需求的均值和标准差均逐渐减小。     

工程结构非弹性地震动力反应分析的BWBN模型

建立一种能够有效考虑强度退化、刚度退化和捏拢效应等典型滞回特性的恢复力模型,是开展工程结构抗震设计和抗震性能评估的关键和基础。该文首先回顾了工程结构非弹性地震动力反应分析的单轴、双轴和平扭耦联Bouc-Wen-Baber-Noori(简称BWBN)模型的研究现状,然后介绍了BWBN模型在模型参数识别、概率地震需求分析以及非弹性地震反应谱等方面的最新研究进展,最后对BWBN模型的后续研究工作进行了展望。     

考虑强度和刚度退化及捏拢效应的钢筋混凝土桥墩滞回模型及其参数识别

为了有效地模拟强震作用下桥梁结构的非线性地震反应,需要确定钢筋混凝土（RC）桥墩非线性力-位移滞回关系。基于Bouc-Wen模型,给出了一种考虑RC桥墩强度和刚度退化以及捏拢效应的改进非线性滞回模型,确定了影响该滞回模型的控制参数,并在Matlab/Simulink里实现对RC桥墩各种破坏模式非线性滞回性能预测。同时,通过对1/3比尺的RC桥墩分别在压弯、扭转和弯剪作用下的往复荷载试验研究,试验得到的力-位移关系滞回曲线与本文提出的改进滞回模型预测结果吻合较好,验证了本文提出改进模型的正确性和有效性。并采用汶川地震波对绵州市回澜立交桥匝道桥的RC桥墩的滞后性能进行了数值模拟,分析结果和桥墩的震害一致,证实了采用本文提出的改进滞回模型可以较准确的预测RC桥墩在强震作用下的非线性滞后性能。在此基础上,运用无迹卡尔曼（UKF）方法对Bouc-Wen模型进行参数估计,模拟结果和误差分析表明,该方法能够精确的估计出改进的Bouc-Wen模型的参数。     

考虑行波效应的无砟轨道铁路桥梁纵桥向地震响应

为研究考虑行波效应的无砟轨道铁路桥梁纵桥向地震响应,选用某高速铁路连续梁及32 m简支梁桥作为研究对象,分别建立考虑轨道约束模型和传统全桥模型,基于绝对位移输入法(ADM),开展行波效应对两种不同抗震体系(延性及减隔震)铁路桥梁地震响应的影响分析。研究结果表明:对于延性抗震体系,行波对墩底曲率的影响表现为行波对结构反应更有利;对减隔震体系,行波对墩底内力的影响不及延性抗震体系明显。两种抗震体系中,墩梁相对位移的变化应予以考虑,防止邻梁碰撞现象。行波效应对轨道系统的影响应重点关注,避免其轴力过大发生扭曲。不同视波速下,简支与连续梁上的剪力齿槽水平剪力分配呈现此消彼长的现象,简支梁上剪力齿槽抗力应加强设计。行波中的拟静力成分对轨道系统地震响应的贡献显著,动力成分主导桥墩地震响应,两者共同决定总地震响应。     

基于改进Bouc-Wen模型的非线性结构非平稳随机地震响应分析

实际的地震记录表明,地震作用是一个明显的非平稳随机过程。在强震作用下,结构会出现滞回非线性,甚至表现出退化特性。考虑此,采用可以模拟结构退化及捏拢效应的改进Bouc-Wen模型来模拟地震作用下结构的滞回行为。基于等价线性化法,建立了非平稳激励下改进Bouc-Wen系统随机响应的求解过程,同时采用Monte Carlo法验证其准确性,并分析了激励强度、退化程度、捏拢效应等参数的影响。以一木排架结构为例,分析了木排架结构在非平稳地震动作用下的随机响应。结果表明:激励强度越大,系统位移均方根和累积滞回耗能均值越大;退化效应使系统的位移均方根明显增加,但对累积滞回耗能均值影响不大;捏拢效应显著增加了系统的位移均方根,但降低了系统的累积滞回耗能均值;另一方面,计算结果显示退化和捏拢效应使得响应偏离高斯分布的程度有所增加,进而使得等价线性化法的计算误差有一定的增加。     

考虑氯离子侵蚀的高墩桥梁时变地震易损性分析

以一高墩大跨连续刚构桥为例,基于OpenSees 程序建立其非线性分析模型。考虑氯离子侵蚀引起的钢筋直径和屈服强度退化,根据截面非线性分析结果探讨了氯离子侵蚀效应对高墩抗震能力的影响。通过单条地震波的非线性时程地震响应,定性地研究了氯离子侵蚀效应对桥梁地震需求的影响。然后输入15 条地震波进行多次增量动力分析,采用对构件能力需求比(Demand/Capacity)进行对数回归分析的方法形成了桥梁的时变地震易损性曲线,对高墩桥梁的时变抗震性能进行评估。分析结果表明:氯离子侵蚀效应会导致高墩屈服弯矩下降,而延性能力略有提高;考虑纵筋锈蚀以后,高墩的位移需求和曲率需求则会显著增加;在桥梁全寿命设计基准期内,结构在不同损伤状态的地震易损性随桥梁服役时间增加而增大。     

锈蚀RC桥梁弯曲抗力时变概率模型与试验研究

在退化RC结构的时变性能评估、剩余寿命预测以及维修加固决策分析中,其抗力模型的建立至关重要。钢筋锈蚀导致钢筋的屈服强度降低、改变钢筋力学行为和影响钢筋与混凝土之间的粘结行为。钢筋腐蚀损失量影响钢筋的失效模式,即从延性破坏到脆性破坏变化。该文发展了退化RC 桥梁的概率抗力时变模型,可以定量考虑腐蚀对钢筋力学行为、倒塌机理和粘结性能的影响。建立退化结构的抗力概率模型可以抓住退化结构的退化机理、点蚀分布、结构尺寸参数、粘结行为、腐蚀扩展、钢筋失效模式和计算模型的随机性和变异性。RC 梁的加速腐蚀试验和旧桥的破坏性试验验证了该文模型的正确性和可靠性。     

结构随机延性需求谱的应用研究

结构的地震反应危险性曲线体现了结构的地震反应与地震动强度之间的关系,采用随机延性需求谱可以很方便地建立结构的地震反应危险性曲线。非线性结构在随机地震作用下的位移反应分析属于非线性随机振动问题,采用随机延性需求谱可以简单而有效的获得非弹性单自由度体系的随机位移反应的统计量,结合非线性静力分析,还可以进行多自由度结构的随机地震反应分析。此外,随机延性需求谱还可以用于结构的抗震可靠度分析。     

滞回模型修正和地震动特征对IDA的影响分析

为了研究滞回模型和典型地震动信号特征差异对IDA曲线的影响,基于Bouc-Wen模型的Barber捏缩及强度退化修正以及地震动PGA/PGV值,针对弹塑性结构模型进行了IDA分析。对单质点模型建立了IDA曲面,分析了IDA曲线形状随PGA/PGV值的变化规律;分析了多质点层模型不同楼层的最大层间侧移角比值IDA曲线受PGA/PGV值变化的影响。计算结果表明:在IDA曲线的抬升梯度和结构弹塑性损伤在结构体系内的分布特征都随PGA/PGV值以及滞回模型的变化而变化,且影响趋势显著。     

常延性系数弹塑性位移谱及其应用

采用根据我国现行《建筑抗震设计规范》生成的人工地震波,对单自由度体系进行弹塑性时程分析,讨论了滞回模型、屈服后刚度等对弹塑性位移反应谱的影响。在此基础上,建立了8度设防、Ⅱ类和Ⅲ类场地、设计地震分组为第一组、位移延性系数μ为1~8的单自由度体系最大弹塑性位移与周期的关系,即常延性系数弹塑性位移谱。通过算例,介绍了常延性系数弹塑性位移谱在房屋结构基于位移抗震设计中的应用。     

基于改进能力谱法的砼框架Pushover分析

基于钢筋砼杆件截面的轴力-弯矩-曲率关系,建立了考虑杆件P-Δ效应和剪切变形且能分析框架极限状态的非线性有限元法。提出了改进能力谱法,定义了砼框架结构唯一的延性系数,确定Pushover曲线的极限状态点为性能点,通过性能点位于由延性系数所折减的非弹性需求谱曲线上的条件,求出框架的最大抗震谱加速度,评估框架的抗震性能。兼顾承载能力,得出相对受压区高度0.25―0.35,轴压比0.6―0.8的框架,具有较好的抗震性能。     

弹塑性 SDOF 系统的地震输入能量谱

以4种场地土条件下40条强震记录为输入,分析了弹塑性单自由度(Single Degree of Freedom,SDOF)系统的地震输入能量谱,并对地震动强度和SDOF系统参数对地震输入能量谱的影响进行了研究。结果表明:能量谱峰值主要由地震动强度决定,阻尼比和延性系数有很大影响。在长周期范围,延性系数一定时,随着阻尼比的增大,能量谱值也有所增大;随延性系数增大,能量谱值随阻尼比增加而增大的趋势有所减缓。采用归一化方法,根据能量谱的特征建议了简化三段式地震输入能量谱,并根据能量谱分析结果的统计,建议了弹塑性SDOF系统能量谱峰值和能量谱曲线参数的确定方法。     

一种简化的R.C框架结构地震位移反应分析方法

采用单自由度体系等效多自由度体系,只考虑第一振型影响,确定结构最大位移反应。该文假定R.C框架结构屈服前刚度与强度相关,屈服位移由结构几何尺寸近似确定。结合我国建筑抗震设计规范,研究不同设计条件下R.C框架结构的超强系数,然后乘以设计地震作用确定结构的实际强度。根据结构屈服位移以及实际强度确定等效结构的有效周期。当有效周期大于特征周期时,结构最大非线性位移反应采用等位移原理确定,当有效周期小于特征周期时,结构最大非线性位移反应采用等能量原理确定。该方法与其它方法相比,避免了复杂的弹塑性动力或静力分析,不需要进行迭代计算,且与我国规范结合紧密,特别适合对既有结构快速评估。     

地震波持时效应的能量评价指标研究

将结构的地震损伤定义为结构在单向振动过程中耗储地震能量能力的降低,并根据损伤成因将结构地震损伤分离为残余位移损伤与退化损伤,基于结构退化损伤的量值来界定地震波持时效应的大小。将结构总输入能、能量增长持时、最大瞬时输入能量比以及90%能量持时作为持时指标,通过 56条地震波下三种周期SDOF结构的损伤分析,分别讨论各持时指标与结构退化损伤之间的相关度。分析结果表明结构总输入能与结构退化损伤之间的相关度最高,同时由于总输入能的求解受结构阻尼模型与滞回模型的影响较小,因此总输入能作为地震波持时效应的评价指标具有较好的准确性与便利性。     

考虑模态侧向力组合的结构抗震性能评估方法

结构在地震作用下的振动是结构各阶模态共同参与的结果。该文在已有研究基础上发展了考虑结构模态侧向力组合的静力弹塑性分析方法。采用模态贡献修正系数作为各阶模态参与的权重,考虑模态侧向力的方向,构造了基于模态侧向力组合的推覆分析侧向力模式,将各侧力模式分析结果的包络值作为结构的抗震响应。以两个5层和12层的钢筋混凝土框架结构为例,研究了结构的能力曲线和目标位移处的楼层变形分布;分别采用能量方法和非弹性响应谱来构造结构的能力曲线和需求曲线,对比分析了结构的层间位移角和楼层侧向位移。结果表明:结构的能力曲线由四种组合侧力模式共同决定,性能点处的抗震响应由两种组合侧力模式控制;该文方法能较好的预测结构的抗震响应,比常规的侧向力模式精度更高。     

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。     

延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响分析

在目前结构抗震设计中,将调幅后的地震动记录作为地震动输入匹配规范谱的方法非常常见;为了分析延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响,通过计算单自由度体系动力时程弹塑性反应,分析了延性系数、调幅因子等因素对等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的影响。经研究分析得出在不同延性系数、调幅因子条件下等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的变化规律:当周期确定时,对地震动记录进行调幅时等延性地震抗力谱谱值变化趋势与调幅因子增减相同,而等延性屈服强度谱不变;延性系数逐渐增大时,等延性屈服强度谱和等延性地震抗力谱的谱值会逐渐减小。研究成果解释和阐明了延性系数和调幅因子对等延性强度谱的影响以及复杂的地震作用与结构动力特性之间的关系,可以为结构抗震研究和设计提供依据。     

连续梁桥横桥向等位移准则

首先分析了单自由度等位移准则与结构屈服程度的关系,然后针对典型连续梁桥的特点,定义了名义屈服位移和名义屈服曲率,并通过改变主梁特性、桥墩特性和地震动输入等进行参数分析,将等位移准则由单自由度推广到多自由度。研究表明,当连续梁桥的主要振型的周期均大于对应单自由度等位移准则的周期下限,并且主要振型的质量参与系数之和超过90%时,非线性时程方法得到的位移与弹性反应谱方法得到的位移接近,等位移准则成立,可以采用弹性位移评估其非弹性位移。多自由度等位移准则的应用较大程度简化了相当一部分连续梁桥的横桥向位移需求的计算,为其基于位移的抗震设计提供了基础。     

结构振动的离散变结构控制方法

采用离散系统建模技术和变结构控制系统设计的离散趋近律方法,对地震作用下建筑的振动控制问题进行了研究,给出了系统切换函数的确定方法,推导了系统控制律的表示式,算例分析结果表明,该控制方法能有效地减小结构的地震响应,对于结构抗震控制易于接受的特定采样时间间隔,控制效果优于相应基于连续时间系统的变结构控制方法。