长周期地震作用下考虑碰撞效应的偏心隔震结构损伤性能评价

由于隔震层位移过大或隔震沟间距设置不当会造成偏心隔震建筑结构与周围挡土墙发生碰撞。合理评估扭转耦合效应及碰撞效应对偏心隔震结构损伤性能的影响具有十分重要的意义。建立了单层偏心隔震结构弹塑性侧扭耦合分析模型,并基于Park-Ang损伤指标定义了上部结构的损伤。以近断层地震和远源长周期地震动作为输入,采用弹塑性时程分析方法对单层单向偏心隔震系统进行损伤性能评价。对相关重要参数进行了地震影响分析。研究结果表明与设计地震动相比, 在长周期地震作用下考虑碰撞效应的结构损伤值较高,如果间距设置不当甚至会造成结构损伤失效。上部结构及隔震层偏心会对结构损伤产生不利响应。合理设计隔震沟间距可以保证隔震结构在罕遇地震下不出现失效现象。     

基于FEMA P-58的RC框架结构抗震及减隔震性能评估

该文采用FEMA P-58理论进行RC框架结构抗震及减隔震性能评估。设计了一栋典型多层RC框架结构,并在此基础上添加屈曲约束支撑以及隔震支座形成BRB-框架结构与隔震框架结构,采用OpenSees软件建立了3个结构的有限元模型,选取合适的地震动记录并调幅,对三个结构进行了非线性结构响应分析。针对多遇地震、基本地震、罕遇地震、极罕遇地震4个地震动强度,使用FEMA P-58理论中基于强度的方法,对三个结构在四个地震强度下进行性能评估,并针对各性能指标的评估结果进行对比分析。地震损失评估结果显示,采用隔震框架结构与BRB-框架结构可以有效降低建筑物在地震作用下的维修成本与维修时间。与普通框架相比,在罕遇地震作用下隔震结构的维修成本与维修时间可降低65%与58%,BRB-支撑框架结构可降低47%与34%。     

具有隔震构造的安全壳飞机撞击耦合动力响应模拟分析

建筑物隔震构造主要用于削弱地基中地震荷载对上部结构的影响,而来自上部的飞机撞击对于安全壳隔震体系的影响如何是保证核电安全值得探讨的重要问题。为评价核电站安全壳隔震体系与飞机撞击的耦合动力效应,该文提供了一种细致的模拟耦合动力分析的手段,建立了安全壳细致的动力数值模型,针对不同刚度的隔震支座及无隔震条件,进行多种类型飞机撞击作用下安全壳的动力响应分析。结果显示,飞机撞击作用期间,不同刚度的隔震支座与无隔震条件相比,撞击位置中心节点位移与冲击力的大小具有相关性,因而存在差异,而对于安全壳混凝土结构损伤区域分布则差异不大;但在撞击荷载作用后,不同刚度的隔震支座则会对安全壳振动衰减过程有较大影响。研究表明在隔震体系设计阶段,不能片面的考虑隔震体系在削弱地震响应方面的需求,需要与飞机撞击振动衰减过程耦合分析,从而确定适宜的隔震支座水平刚度等参数。     

RC 隔震框架缩减自由度子结构耦合混合试验研究

本文提出基于 GPU 并行计算、缩减自由度及考虑隔震支座非线性耦合力学特性的隔震结构混合试验模拟方法,准确地评估地震作用下隔震层橡胶隔震支座与上部结构耦合的真实响应特点。通过数值模拟的方法对上部结构各楼层的恢复力性能进行分析,将上部结构简化为非线性 MDOF 剪切模型;结合隔震支座的拟静力试验建立考虑非线性耦合的隔震支座模型,得到该结构的缩减自由度子结构耦合混合试验数值模型,通过橡胶隔震支座的动力试验和子结构交互计算进行不同地震作用下 RC 隔震框架的混合模拟试验研究。试验结果表明：10 层 RC 隔震结构的混合试验中,隔震层变形与数值模拟计算结果吻合较好,利用混合试验方法对结构自由度进行缩减,既能较好地还原上部结构的动力特性,也能得到橡胶隔震支座在地震作用下的真实响应,且保证了较好的分析速度和精度。     

沈阳地铁车辆段上盖双子楼隔震性能的振动台试验研究

模拟地震振动台试验是研究地震作用下结构性能的重要试验手段,相比拟静力、拟动力试验各具优势和特色。为了验证沈阳地铁车辆段上盖双子楼结构的隔震性能,根据相似理论设计结构模型,开展了模拟地震振动台试验研究。试验表明:小比例振动台模型存在尺寸效应,但宏观破坏现象足可反映结构薄弱部位和破坏机制;结构模型在双向地震作用下主要以双子楼平动为主,扭转振动不明显;随着隔震上部结构损伤积累,在7.5度地震作用下模型结构发生显著损坏,隔震支座发生不可恢复变形,顶部机顶房柱端开裂;试验验证了隔震后的建筑可满足规范设防要求。     

近断层地震下隔震系统的损伤控制研究

近断层地震作用下易造成隔震结构隔震层产生较大位移,当位移过大会造成结构与挡土墙发生碰撞从而引起结构损伤。为研究近断层地震下隔震结构的损伤性能及损伤控制机理,建立了考虑结构损伤的隔震结构分析模型。采用弹塑性时程反应分析方法比较了近断层地震下隔震结构在附加黏滞阻尼比、变频隔震及附加缓冲限位装置情况下的结构损伤控制效果。研究结果表明当近断层地震下隔震层位移超过隔震缝间距且数值越大,隔震结构损伤越严重;采用三种方法进行近断层地震下的损伤控制时设计地震动下结构损伤轻微,采用附加黏滞阻尼比的方法对近断层地震下的损伤控制最有效,采用变频隔震系统对近断层地震下的隔震层位移控制效果最佳。研究结果可为隔震结构在近断层地震下的损伤控制提供参考。     

结构主动控制理论及存在的问题

结构振动控制是使结构和控制系统共同抵御外界动荷载的作用,达到控制结构形态,减轻结构动力响应的目的。其研究和应用大体上分为三个领域:基础隔震、被动耗能减振以及主动、半主动和智能控制。本文对主动、半主动和智能控制作了描述,对结构振动控制中的问题做了探讨。     

中间隔震层位置变化对混合被动控制体系控制效果影响的试验研究

提出了一种分段隔震结构与相邻结构连接耗能的新型混合被动控制体系。与单一的减隔震体系相比,这种新体系将隔震与阻尼器耗能结合在一起,对不同频域地震动具有较强的鲁棒性。通过振动台试验输入不同频域的地震动,研究了分段隔震结构中间隔震层位置变化对隔震效果的影响。最后将有限元数值模拟与试验结果进行了对比。研究表明：长周期地震波对隔震结构的位移、加速度的影响相较于其他频域地震动更为显著,会使隔震支座超限的可能性增大;中间隔震层位于结构竖向靠中部位置时结构整体动力响应最小;混合被动控制体系可以有效解决高层减隔震结构目前所存在的位移超限、结构整体倾覆等问题,对不同频域地震波激励下的结构响应均有更为优越的控制效果。     

结构在多态混合控制上双向水平与扭转耦合振动响应的试验研究

本文在对底隔震器与上部阻尼器共同作用下，结构双向水平与扭转耦合振动响应进行了理论分析与试验研究，试验过程中，由基底加速度幅值自动控制隔震器与阻尼器的关闭与打开，试验结果与理论分析结果吻合良好，在此基础上，对隔震器与阻尼器振动参数进行了优化，使结构动力响应得到最优控制，本文研究成果为阻尼器，隔震器等产品在实际工程中的应用与推广提供了可理论依据。     

串联式变刚度摩擦摆支座设计与验证

为使支座适应减隔震桥梁在日常使用、多遇地震以及罕遇地震等多种工况的不同需求,本文对国内外的减隔震技术进行分析,将滑动摩擦、单摆运动以及橡胶剪切阻尼结构进行有机结合,使支座在不同工况下具有不同的水平刚度,实现相应的减隔震效果。通过结构理论设计、实体减隔震性能试验以及有限元分析,验证了该新型支座的减隔震性能和承载性能符合预期,其力学行为可控,实现了不同工况中隔震效果的协调性,避免了过大的位移反应给桥梁设计、施工造成的不利影响。     

非平稳随机载荷下海洋平台振动半主动控制

提出了一种新的变刚度半主动控制方法，采用短时波面特征信息和开环控制策略，由波面特征信息通控制器实时改变TMD的刚度，以达到对系统最优状态的跟踪，克服信号处理系统和作动器的延时可能带来的系统稳定性问题。将一次风暴潮强非平稳过程描述成许多短时的平稳过程，分别以平台上甲板位移、加速度响应最小作为控制作动器优化目标，优化得到控制装置刚度变化的时域过程，实现TMD变刚度对海洋平台甲板加速度及位移的振动控制。在平台顶部甲板安装半主动控制装置后，平台甲板的加速度标准偏差平均降低21％。这种半主动控制装置既有主动控制效果好、适用范围广的性质，又有被动控制装置造价较低、可靠性高的特点。     

高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究

高层建筑由于自振周期长、阻尼小,其高柔的特征使其对风荷载特别敏感,风荷载是沿海地区超高层建筑的主要水平控制荷载,因此在强/台风作用下,其抗风设计须在满足规范安全要求的前提下,同时又要经济实用和结构性能高效,为此,开展高层建筑抗风优化和风振控制方面的研究具有十分重要的现实意义。该文在对高层建筑抗风优化设计和风振控制研究现状做简要介绍的基础上,首先根据风荷载的特点,着重研究了考虑风速风向联合概率分布和基于可靠度及性能化的高层建筑抗风设计方法,采用最优准则法,以结构的总重或总造价为目标函数,以顶部位移、层间侧移以及顶部风致加速度为约束条件,对高层建筑结构杆件截面抗风优化设计的相关问题进行了研究。同时为提高基因遗传智能优化算法的收敛速度和获得最可能优化解,该文提出了传统基因遗传的改进算法(如基于改进罚函数及分级遗传算法)用于结构抗风优化设计。在结构拓扑抗风优化方面,则主要引入分层优化的概念,对变密度法和改进动态进化率的双向渐进拓扑优化方法,应用于抗风结构的拓扑构型优化算法进行了相关研究。通过实例分析验证了上述结构抗风优化算法的高效和正确性。在风振控制方面,该文结合摩擦摆系统和调谐质量阻尼器各自的优点,提出了摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD)被动控制系统,对其力学和动力特性,以及高层建筑顶部带FPS-TMD系统的风振控制理论,进行了相关研究。以结构控制第三代Benchmark模型为实例,研究顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效果,同时结合该文开发的基于小型电振动台的实时混合实验测试平台,采用风振控制实时混合实验结果与理论模拟计算结果的对比,验证了该文提出的FPS-TMD被动控制系统,应用于高层建筑风振控制的有效性。     

典型激励下调谐质量惯容系统TMIS的轻量化结构控制

经典调谐质量减振系统往往需要较大的附加质量和相应的额外安装空间,为其实际使用带来不便。惯容系统是一种新型的高效振动控制装置,具有两端点惯性、表观质量增效和耗能增效等特性,其中表观质量增效特性可以实现轻量化结构振动控制。该文聚焦具有轻量化控制特征的广义调谐质量惯容减振系统(Tuned mass inerter system, TMIS),陈述其基本原理与典型拓扑形式。考虑地震作用、风荷载与人致激励三种典型动力激励,提出适用于广义TMIS的基于性能需求的优化设计方法获得惯容系统的参数,在使结构满足性能目标的同时降低所需调谐质量的大小。通过与经典调谐质量减振系统进行对比,说明调谐质量惯容系统的轻量化减振控制优势,并通过典型案例及其动力响应分析加以验证。研究表明:TMIS是一种高效的结构振动控制装置,在多种典型灾害下均能有效实现结构减振控制的性能目标与减小调谐质量需求的轻量化目标,为结构振动控制问题的解决提供了便利的新选择。     

输电塔线体系力学模型研究进展

输电塔线体系是重要的电力能源基础设施,长期于野外恶劣环境下服役,其高柔特性使得它在强烈外荷载作用下的响应较为显著。国内外发生了很多输电线路在强风强震、覆冰、腐蚀等作用下的破坏事故,造成了严重的损失。因此,国内外积极开展了输电线路的监测评估与防灾减灾的研究和工程应用工作。输电塔线体系力学模型的建立是开展输电线路监测评估和防灾减灾的基础和关键。输电线从力学角度而言是具有小应变、大变形特征的悬索,表现出显著的几何非线性效应。输电塔线体系的力学模型相比于传统高耸塔架结构而言非常复杂,它综合了有限元、随机振动、变分理论、风工程、地震工程、结构分析理论等多学科理论,相关研究工作还不完善。该文以输电塔线体系的力学模型为研究对象,全面综述了目前塔线体系力学模型方面的研究现状,对比分析了不同模型的优缺点,总结了该研究方面存在的不足并就将来的发展进行了展望。     

结构半主动变阻尼控制性能评估

研究了地震激励下结构半主动变阻尼控制的有效性。作为半主动控制系统的经典范例之一,变阻尼控制系统已经在结构控制领域得到了广泛的应用,但是近来的研究显示变阻尼控制对于抑制柔性结构的地震反应是适宜的,而对于刚性结构则是不适宜的。通过谐波分析研究了地震激励下结构振动控制的问题。计算结果显示,变阻尼控制成立的条件与结构频率并无必然联系,而是取决于结构频率与外部激励频率的比值,即就是变阻尼控制的可行性与地面运动的频谱特性是相关联的。此外,也将变阻尼控制的效果与对应的被动上限阻尼控制效果进行了对比。结果显示,在大多数情况下变阻尼控制并不能进一步提高控制效果。     

形状记忆合金在结构振动控制中的研究与应用

形状记忆合金已在工程结构振动控制领域中的研究和应用得到了广泛的关注.针对这一问题,介绍了形状记忆合金的一些主要特性,阐述了形状记忆合金在被动及主动控制方面的研究现状,讨论了在工程中应用形状记忆合金进行振动控制所面临的问题.最后,给出了形状记忆合金在土木工程结构振动控制领域内应进一步研究的几个问题.     

Evaluation of fiber optic sensors for remote health monitoring of bridge structures

Health monitoring of civil infrastructure systems has recently emerged as a powerful tool for condition assessment of structural performance. With the widespread use of modern telecommunication technologies, structures could be monitored periodically from a central station located several miles away from the field. Sensors are placed at several critical locations along the structure, and send structural information to the central station. This remote capability allows immediate damage detection, so that necessary actions that ensure public safety are taken. The goal of this research work is to evaluate the use of Fiber Optic sensing technology as a tool for structural health monitoring. To perform this task, a case study involving installation of Fiber Optic Sensors on a selected bridge structure during its construction phase was conducted. The bridge is located in the state of Florida, USA and is considered the first smart structure in this state. Static and Dynamic testing of the bridge were performed using loaded SU4 trucks. A 3-dimensional analytical finite element model of the bridge was developed and its results were compared to the test data. The study confirmed the accuracy of the sensors in estimating the bridge behavior under heavy truck loads. In addition, the sensors were connected to a data acquisition system permanently installed on-site. The acquisition system could be accessed through remote communication, which permits the evaluation of the bridge behavior under live traffic loads. Currently, live structural data under traffic loading is being transmitted continuously to the central maintenance office. The study revealed that the proposed health monitoring technology will enable practical, cost-effective, and reliable maintenance of bridge structures.     

子结构试验的多自由度力-位移混合控制方法研究

现代结构试验通常抽取结构的一部分进行子结构拟静力或拟动力试验,同时对子结构边界进行近似处理,简化加载方案,以期在现有试验条件下满足大比例尺试验的需求。然而,这种方法应用于复杂构件时会带来较大的误差,特别是各向刚度差异很大的构件,由于各自由度之间的耦合效应,以及传统试验装置控制模式和精度的限制,难以实现轴向、剪切、弯曲以及扭转自由度之间的同步协调加载,加载误差严重影响了结构抗震性能评估试验的准确性。针对子结构试验中耦合多自由度同步协调加载问题,利用力-位移混合双闭环控制策略实现多自由度之间的解耦,采用鲁棒性PID控制方法,以减少多自由度同步协调加载过程中试件的材料非线性和加载装置的几何非线性带来的误差,提高子结构试验的精度。通过以某构件的子结构拟动力试验为例验证了所提出的力-位移混合控制方法的可行性和正确性。     

基于诺顿等效系统功率流计算的多维振动传递特性研究

结构振动传递的实质是振动能量的传递过程。功率流方法从能量的角度揭示振动传递的机理，在结构振动控制领域的作用日益突出。采用基于诺顿等效系统的方法计算功率流，具有便于与有限元分析和实验测量相结合的优点，为评价复杂实际结构的振动特性提供一条有效途径。应用该方法对一隔振系统的多维振动传递特性进行研究，通过分析多维振动形式各自传递的振动功率流，发现接受结构的柔性是振动传递的主要影响因素之一。对接受结构分别采用增加板厚和加筋两种方式进行改进，加筋方式取得了更好的减振效果，并且有利于结构的轻量化。     

某体育馆楼板振动舒适度研究

针对某大学体育馆楼板振动舒适度问题,建立楼板计算模型,计算楼板在不同边界等条件下的自振频率。现场实测楼板自振频率和最不利情况时楼板振动加速度值。楼板自振频率的计算值和四边固定且无活荷载时的实测吻合较好,表明数值计算模型是合理的。基于实测加速度值,利用国际标准ISO 2631-1997对楼板振动舒适度进行评价,评价结果表明楼板满足舒适度要求。所采用的基于国际标准的评价方法可供国内其他工程结构楼板舒适度的评价提供参考。