竖向混合结构模态阻尼比计算研究

竖向混合结构因各子结构提供的能量损失机制不同,导致结构阻尼矩阵为非比例阻尼矩阵。基于复阻尼理论,推导了竖向混合结构的模态阻尼比计算公式。以一个12层竖向混合框架结构试验为例,将该方法计算得到的模态阻尼比与试验实测结果进行对比,验证了该方法的可行性;并采用不同材料阻尼比对该混合结构有限元模型进行了弹性时程分析,对该方法的有效性进行检验,结果表明该方法计算简便,效率高。最后采用该方法和模态应变能法研究了竖向混合结构各子结构自特性对整体阻尼比的影响情况。     

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.     

基于速度的显式等效力控制方法的研究

该文采用等效力控制(EFC)来求解在实时子结构试验中的速度差分方程,采用反馈控制取代数学迭代来求解非线性动力方程。谱半径分析表明,由于准确地模拟了速度响应,结合显式Newmark-β算法的等效力控制方法的稳定界限与系统的阻尼系数无关,在不同阻尼比下稳定界限保持为Ω=2,具有良好的数值特性。而直接预测速度的中心差分法和采用线性插值模拟速度的平均加速度等效力控制方法,其稳定界限随着系统阻尼比的增大而降低,对于过阻尼结构(阻尼比大于1),原本无条件稳定的平均加速度等效力控制方法变为条件稳定:对于阻尼比为1.05的动力系统,其稳定界限为Ω=1.45。最后,采用该文方法对安装磁流变(MR)阻尼器的单自由度结构的地震响应进行数值分析,结果表明该文方法能正确跟踪结构速度和位移命令,因而对于速度相关型结构体系,具有良好的适用性和精确性。     

多自由度一般积分型粘弹性阻尼减震结构的 随机响应与等效阻尼

该文对任意多自由度带支撑一般积分型粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的随机响应与等效阻尼比的解析分析法进行了系统研究。首先建立了结构一般运动方程;然后将运动方程化为振型广义坐标的微分和积分混合地震响应方程组;继而基于多自由度随机平均法理论,获得了结构随机平均Itô方程组的解析式,推导出耗能结构各振型振子的振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差的一般解析解;最后,基于与多自由度随机平均法分析完全相同的等效准则,建立了耗能结构各振型等效阻尼比的一般解析式,并根据CQC和SRSS组合方法,建立了耗能结构随机地震响应方差的解析式,给出了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器减震结构随机响应和各振型等效阻尼比的一般解析式,通过与一些典型问题的模态应变能法的计算精度对比分析,表明了所提方法的有效性,使耗能结构可直接应用反应谱法进行设计,从而建立了带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器一般耗能结构随机响应与特性等效阻尼分析的完备解析解法。     

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。     

随机地震作用下TMD等效附加阻尼比研究

针对随机地震作用下TMD给结构提供的附加阻尼比展开研究。随机地震动采用过滤白噪声Kanai-Tajimi功率谱模型,并将Kanai-Tajimi功率谱模型描述的场地过滤效应表示成传递函数形式,进而推导出结构相对于基岩的位移动力放大系数。然后,结合SRSS方法,以结构位移响应均方值作为评价准则,提出了随机地震作用下TMD提供给结构任意阶模态的等效附加阻尼比理论公式。最后,以某景观塔作为工程算例展示了TMD等效附加阻尼比的求解流程,并验证了该等效附加阻尼比公式的有效性。算例分析结果表明,使用等效附加阻尼比指标来评估TMD减震性能是合理有效的,且使用推导的TMD等效附加阻尼比理论公式能更准确地评估TMD对结构位移响应的控制效果。     

地震反应分析中Rayleigh阻尼系数的优化解

在进行多自由度粘滞阻尼体系的地震反应分析时,以结构位移反应峰值的误差为目标函数,建立了求解Rayleigh阻尼系数的优化方程。随后,以地震反应谱随阻尼比变化的经验公式为基础,形成地震反应谱导数的近似计算公式。从而形成一个仅需地震反应谱和结构模态分析成果,即可得到综合考虑结构动力特性、地震波输入方向和频谱特性的Rayleigh阻尼系数的计算方法。最后,任意选择10条地震波对一栋高层建筑进行地震反应分析,数值计算结果表明这一方法可有效地减少由阻尼引起的计算误差。     

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。     

一种非比例振型阻尼模型及在大规模非线性分析中的应用

该文通过有限元模型的节点振型阻尼比构造了一种非比例振型阻尼模型;给出了非线性显式格式中该文模型阻尼力的高效算法,并结合实际工程对显式求解的稳定性进行了分析。将该文提出的非比例阻尼模型和高效算法在自主研发的CPU+GPU并行非线性分析软件中进行实现,对有限元模型自由度数达到百万量级的超高层钢-混凝土混合结构广西东盟塔进行动力时程分析,对该文并行算法的效率和非比例阻尼对结构动力响应的影响进行了研究。     

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。     

增位型阻尼墙力学模型及跨层减震结构的地震响应分析

提出了一种将增位型黏滞阻尼墙跨层布置的增效耗能减震结构体系。基于能量等效原理,并采用积分的方法建立了增位型阻尼墙的阻尼力和滞回耗能的计算公式,进行了普通黏滞阻尼墙和位移放大3倍的增位型阻尼墙的拟静力试验,在相同的位移幅值和加载频率下,增位型阻尼墙的阻尼力放大4.40倍,耗能平均放大4.41倍。进一步对某30层混凝土框架核心筒结构进行普通阻尼墙与增位型阻尼墙的地震响应对比分析。通过对比分析验证了增位型阻尼墙的减震效果,并且发现增位型阻尼墙跨层布置时的结构附加阻尼比倍数提高,结构响应进一步减小。将增位型阻尼墙跨层布置可取得更优的减震控制效果。     

放大型黏滞阻尼墙的力学性能与试验研究

该文提出一种多杠杆并联的放大型黏滞阻尼墙,根据放大型黏滞阻尼墙的构造和受力特点,分析了放大装置的竖向提拉效应,提出了普通型和放大型黏滞阻尼墙的阻尼力及耗能理论公式,并对装置的变形和耗能进行了分析。设计制作3倍位移放大型装置黏滞阻尼墙和普通黏滞阻尼墙的试验模型,并在正弦波的作用下进行往复加载试验,分析不同试验工况下黏滞阻尼墙的滞回耗能曲线,并将理论曲线与试验曲线进行了对比,验证了力学模型的正确性。在相同位移下,放大型黏滞阻尼墙比普通阻尼墙滞回曲线更加饱满、耗能更为显著。最后以三层混凝土框架结构为计算模型进行减震分析,确认了考虑竖向提拉效应的放大型黏滞阻尼墙的减震效果。     

面向RC结构损伤演变的位移相关型阻尼模型及参数识别

针对目前阻尼模型不能充分反映钢筋混凝土结构阻尼与损伤之间关系的不足,提出位移相关型非线性阻尼模型,该模型既能反映结构振动过程中的粘滞阻尼耗能又能反映与结构损伤相关的内摩擦耗能。将内摩擦阻尼分解为残余应力效应和粘结滑移效应。基于能量守恒原理提出模型中阻尼参数的识别方法,并进行数值验证。对一钢筋混凝土简支梁进行损伤加载和动力测试,基于位移相关型非线性阻尼模型和相关动力学模型识别各损伤状态下的阻尼参数,分析其变化规律及非线性阻尼与损伤之间的内在联系。结果表明位移相关型阻尼模型不仅能反映阻尼比随位移峰值的增大而增大的现象,还能反映阻尼比随损伤程度的演变规律。     

自复位变阻尼耗能支撑的力学原理与性能研究

为解决现有自复位支撑起滑力大的问题,提出了一种新型自复位变阻尼耗能支撑。支撑采用组合碟簧提供复位能力,通过构造设计实现磁流变液变阻尼耗能。对其变阻尼特性进行了分析,建立了描述其滞回特性的恢复力模型,提出了基于性能需求的支撑设计边界条件。对支撑整体和阻尼耗能装置磁场进行了模拟,结果表明,支撑具有饱满的类旗型滞回曲线,起滑力小、无残余变形、拉压对称,能够兼顾不同振动强度下的性能需求,有效控制结构振动响应。分析了支撑设计参数对滞回性能的影响,为提高复位与耗能能力,设计时组合碟簧预压力应略大于初始阻尼力,同时应增大组合碟簧刚度、提高最大阻尼力、减小变阻尼区间。与现有自复位支撑相比,起滑力大幅降低、起滑刚度比增加,在相同自复位装置设计下等效粘滞阻尼比与最大承载力也有较大提高。     

基于支撑刚度的消能减震结构最优阻尼参数研究

基于传统消能减震体系力学模型的研究,提出考虑支撑等连接件刚度的实用减震体系力学模型。结合数学方法中的拉普拉斯变换和傅里叶变换,推导实用减震体系的传递函数及其频率特性。再利用频率响应曲线中的定点理论对频率特性进行深入研究,发现频率响应曲线的定点是曲线峰值能够达到的理论最低点,进一步推出实用减震体系的最优阻尼比和频响曲线最低峰值等参数的计算公式。最后通过单自由度体系验证了最优阻尼比的存在性,给出支撑刚度系数的建议取值范围,并通过工程实例说明支撑刚度系数在消能减震结构设计中的重要意义。     

新型高阻尼黏弹性阻尼器性能试验研究

设计制作3个高阻尼黏弹性阻尼器,对其进行变形相关性和频率相关性的性能试验、疲劳性能试验及老化性能试验,以最大剪应力、存储剪切模量和等效黏滞阻尼比为指标研究阻尼器的性能规律,采用通用Bouc-Wen计算模型模拟其滞回曲线,并对比模拟结果和试验结果。研究结果表明:该阻尼器滞回曲线饱满、力学性能稳定,具有较强的耗能性能和大变形能力,抗疲劳性能和抗老化性能良好。变形对该新型高阻尼黏弹性阻尼器力学性能指标的影响明显,加载频率对其影响较小。Bouc-Wen模型的模拟结果与试验结果吻合良好。     

新型自复位黏弹性阻尼支撑力学性能研究

提出了一种新型的自复位黏弹性阻尼支撑(self-centering viscoelastic damping brace,SCVEDB),该支撑利用形状记忆合金的拉伸变形和黏弹性材料的剪切变形共同耗散能量,同时利用形状记忆合金的超弹性特性复位。设计和加工了SCVEDB最基本的模型,对该支撑试件进行了循环往复荷载作用下的力学性能试验,研究了位移幅值、加载速率、SMA丝数量、黏弹性材料的厚度对其性能的影响,同时通过割线刚度、耗散能量、等效阻尼比、自复位比4个参数量化分析了SCVEDB的力学性能。对SMA丝进行了循环拉伸试验,利用OpenSees平台建立了SMA的材料本构数值模型,然后将其与模拟黏弹性材料的Bouc-Wen模型并联,建立了该支撑的力学模型,进而模拟了支撑的力学性能,数值模拟结果与试验结果吻合较好。     

粘滞流体阻尼墙对平面不规则结构的扭转效应控制研究

平面不规则结构由于平扭耦联会使边界处的位移较规则结构增大很多,而给结构配置阻尼器是减小平面不规则结构边界位移的有效途径,该文将耗能效率较高的粘滞流体阻尼墙应用于控制平面不规则结构的扭转响应,研究阻尼墙控制结构扭转效应的机理及控制结构扭转的优化布置。将减震系统刚度矩阵转换到结构的质量中心,将配置阻尼墙后形成阻尼中心的阻尼矩阵转换到质量中心,从而建立可以考虑扭转效应和附加阻尼位置效应的非线性运动控制方程,并根据响应结果推导出结构位移比的表达式;利用运动方程研究阻尼中心的位置、阻尼力的大小、阻尼参数等对结构扭转效应的影响规律,结合结构位移比的表达式提出阻尼墙的平面配置原则和最优阻尼参数的取值方法。以某L型高层建筑为工程背景,根据上述原则配置阻尼墙并选取阻尼参数,并对减震体系在最不利地震动输入方向上进行非线性时程分析,分析结果表明通过合理配置粘滞阻尼墙,L型结构的扭转响应得到了有效的控制,结构最大边界位移和位移比大大降低。该研究结果为采用阻尼墙控制不规则结构扭转效应提供了基本原则和方法,并为不规则结构的减震设计提供有益的借鉴和参考。     

有限质点法阻尼构造问题的研究

有限质点法（FPM）是一种向量式的结构计算新方法,它通过质点的运动描述结构的行为。该方法本身是一个求解结构动力学问题的显示积分方法,但是一直以来有限质点法对阻尼问题的考虑存在不足。该文首先将介绍有限质点法的基本原理和现有阻尼形式,然后将基于Rayleigh方法提出两种适用于有限质点法的阻尼构造方法。通过单层网壳多点激励下的动力数值分析以及框架振动台试验两个实例进行讨论,验证了提出的阻尼构造方法的正确性。结果表明该文工作能改善原有阻尼构造形式的不足,且具有较高的精度,并能完善有限质点法的动力计算理论。     

考虑结构损伤的消能减震结构能量设计方法

与基于承载力和基于位移方法相比,基于能量的抗震设计方法能够更为全面的评估结构抗震性能。该文从能量的角度提出了一种考虑主结构损伤耗能的简化抗震设计方法,将结构滞回耗能设计由阻尼器和主结构共同承担,并据此用等效阻尼比将损伤引入到主结构,通过延性系数建立了结构损伤指数与等效阻尼比之间的关系,给出了阻尼器耗能求解公式及设计流程。该方法无迭代过程,且能在设计之初实现主结构的损伤控制。算例表明,该方法简单、实用,为消能减震结构设计提供了一个新方法。