环境振动下的钢管混凝土拱桥试验与分析

环境振动试验是检测大型桥梁结构的主要方法,检测得到的模态参数是判定桥梁健康状况的重要依据.本文基于随机振动理论,从雁滩黄河大桥在环境激励下获得的加速度测试信号中提取高信噪比的响应信号,采用频域峰值法和时域随机子空间法识别得到了该桥的固有频率、阻尼比和振型等模态参数,并与有限元模型计算结果进行了对比,验证了识别结果的可靠...     

穿斗式木结构民居模拟地震振动台试验研究

为研究穿斗式木结构民居的抗震性能,以位于川西抗震设防烈度7度区的典型2层穿斗式民居为原型,对一个缩尺比例为1∶2的穿斗式木结构模型进行了模拟地震振动台试验。试验中选取汶川波、兰州波、Taft波和El Centro波作为地震动输入,实测了结构在地震作用下的自振频率、阻尼比、刚度、加速度反应、位移反应、剪力分布和应变的变化规律。试验结果表明：随着地震峰值加速度的增加,模型结构的自振频率和刚度下降,阻尼比增大,各层加速度放大系数介于0.286~1.383之间;浮搁于混凝土板上的柱脚的滑移在一定程度上衰减了传入上部结构的地震作用,第2层檐柱顶高度处的榫卯节点在振动过程中耗能作用明显;当输入峰值加速度为0.22g和0.40g时,模型晃动剧烈,最大层间位移角分别为1/65和1/35;当输入峰值加速度增至0.50g时,模型依然没有倒塌,表明穿斗式木结构具有良好的整体变形能力和抗倒塌能力。     

Shaking table test of super high-rise structure on liquefied ground

为了研究液化地基上超高层结构在地震作用下的动力特性和动力响应,设计了液化场地超高层结构模型,并对其进行振动台试验。分析了超高层结构的自振频率、阻尼比、振型、加速度响应、位移反应、结构顶层加速度响应组成和地基孔隙水压力。结果表明：随着加速度峰值的增大,结构的自振频率下降,阻尼比增大;由于结构刚度变化不大,结构振型曲线的形状变化不明显;结构的动力响应不仅与输入地震波的加速度峰值有关,还与地震波的频谱特性有关;结构顶层的加速度反应主要由结构弹塑性变形加速度分量组成,其次是基础转动引起的摆动加速度分量和平动加速度分量;当地震波加速度到达第1个峰值时,砂土层的超孔隙水压力存在负值。     

传统民居穿斗式木构架抗震性能振动台试验研究

为研究西南地区木结构传统民居的抗震性能,对一个位于7度抗震设防烈度地区的两层、两跨穿斗式木构架进行模拟地震振动台试验。试验中选用3条天然波和1条人工波作为输入地震波,对模型结构的动力特性、加速度响应、位移响应、地震剪力及耗能能力进行分析。研究结果表明：随着输入加速度峰值的增加,模型结构自振频率减小,阻尼比增大。在加速度峰值为022g的地震作用后,模型结构X向和Y向的一阶自振频率分别降低了1069%和1997%,相应阻尼比分别增大到1606%和1747%。结构各层加速度放大系数随着加速度峰值的增加而降低,檐柱顶处的加速度放大系数在整个结构中最小,说明檐柱顶处榫卯节点在振动过程中减震作用明显。在加速度峰值为022g的地震作用下,结构最大层间位移角为1/53,此时未见模型有显著破坏,表明模型木构架具有良好的整体变形能力和抗倒塌能力。整个试验过程中,一层柱架耗能作用最大,柱脚耗能作用最小。     

胶合木-混凝土组合楼盖人行荷载激励下振动舒适度研究

为研究胶合木-混凝土组合楼盖在人行荷载激励作用下的振动舒适度,对胶合木-混凝土组合楼盖进行了动力特性试验,测得其基本自振频率和阻尼比等相关动力特征值,并对该楼盖施加了多种人行激励工况,分析了步频、行走路径、行人数量、行走荷载布置方式、行走方式等因素对胶合木-混凝土组合楼盖振动性能的影响。结果表明：随着步频的增大和行走人数的增加,组合楼盖的峰值加速度逐渐增大;多人保持一致行走状态下组合楼盖的峰值加速度较随意行走的大;当步频相同时,原地踏步时的组合楼盖峰值加速度较连续行走的大。在试验研究的基础上,提出了胶合木-混凝土组合楼盖基本自振频率以及单人行走下峰值加速度的计算方法。最后结合国内外相关规范,建议采用自振频率和峰值加速度的双重指标来评价胶合木-混凝土组合楼盖振动舒适度,即楼盖的自振频率不小于15Hz,峰值加速度不大于0.15m/s²。     

台风激励下海口市某高层建筑模态参数识别

对2014—2017年期间一栋由4根巨柱支撑、高108m的32层塔楼在台风影响下的楼顶风场和动力响应进行同步监测，获得台风“威马逊”、“海鸥”、“彩虹”、“莎莉嘉”和“卡努”影响下该楼顶部的风速、风向和不同楼层沿长、短轴向的加速度响应时程，分析了加速度响应的时域和频域特性，采用ERA-NExT、RDT、有限元法识别了实测高层建筑的模态参数，研究了与加速度幅值相关的模态频率和阻尼比。统计结果表明：强风作用下高层建筑模态频率低于静风状态下的模态频率，当加速度均方根小于10mm/s²时，顺、横风向前三阶模态频率随加速度幅值增大而减小，顺风向前三阶模态阻尼比随加速度幅值增大而增大；当加速度均方根大于10mm/s²时，顺、横风向前三阶模态频率减小速率逐步减小，顺风向前三阶模态阻尼比未出现明显增大。当峰值加速度达到最大时，沿长、短轴向一阶模态阻尼比约为2.0%、1.9%，相比静风状态下前三阶模态频率下降了约11%、12%、10%，并提出了考虑相对加速度幅值(加速度均方根与测点离地高度比值)参数影响的高层建筑基频预测公式，为台风多发区域高层建筑基频的估算提供参考。     

大跨度钢-混凝土组合人行天桥舒适度分析

采用调整结构自振频率和限制加速度响应相结合的方法,对惠州市大亚湾大跨度钢-混凝土组合人行天桥进行了人行舒适度分析。基于通用有限元程序MSC-MARC二次开发的子程序,建立组合人行天桥的纤维模型。利用FORCDT子程序描述随时间和空间变化荷载的功能,模拟了不同人行激励工况,按照各国规范中验算人致振动响应的方法,对人行天桥舒适度进行综合评估。通过加速度时程计算,对比分析阻尼比、积分步长、结构质量、人行荷载模式以及桥梁支座处弹簧节点构造等因素对结构动力响应的影响。分析结果表明：该钢-混凝土组合大跨人行桥能够满足各规范对人行舒适度的检验要求,同时在桥梁支座处设置弹簧连接,可使结构加速度响应降低14%,支座反力减小54%,可有效控制结构的人致竖向振动响应。     

Modal parameter identification of Tsing Ma suspension bridge under Typhoon Victor: EMD-HT method

This paper aims to identify the natural frequencies and modal damping ratios of the Tsing Ma suspension bridge during Typhoon Victor using the newly emerged empirical mode decomposition (EMD) method in conjunction with the Hilbert-transform (HT) technique. Stationary tests on the acceleration responses of the bridge recorded at different locations and in different directions during Typhoon Victor are first carried out to classify the recorded response data. Natural frequencies and modal damping ratios identified by the EMD-HT method are then compared with those obtained by the traditional fast Fourier transform (FFT)-based method. The modal parameters identified by the EMD-HT method from the bridge responses recorded at different locations are compared with each other to check their consistency. Furthermore, the variations of natural frequency and total modal damping ratio with vibration amplitude and mean wind speed are examined. The results demonstrated that the EMD-HT method is applicable to modal parameter identification of large civil structures under typhoons. The EMD-HT method and the FFT-based method produced almost the same natural frequencies but the FFT-based method gave higher modal damping ratios than the EMD-HT method in general.     

行人-结构竖向动力耦合效应试验研究

对于轻质大跨度钢桥结构,行人-结构之间的相互作用会使结构动力特性和行人荷载特性发生改变。为此,针对行人-结构竖向动力耦合效应对结构动力参数和行人荷载动载因子的影响进行试验研究。通过测试行人在8种不同步行频率下行走时结构的动力响应,得到60人次554组有效加速度响应时程,进行运行模态分析;利用无线六轴蓝牙加速度传感器,分别在刚性地面和柔性桥面上开展了3种不同步行频率下行走激励的动力特性试验,得到了60人次1200条有效加速度时程,并对其进行傅里叶变换。结果表明：考虑行人-结构竖向动力耦合效应,人行桥自振频率略有减小,阻尼比显著增加,且随着同步行走人数的增加,结构频率及阻尼比变化率逐渐减小。由于桥梁自振力的存在,行人荷载作用于刚性地面上的动载因子(dynamic load factor,DLF)大于柔性地面上的,试验结果表明,相较于刚性地面,行人在柔性桥面上行走时的第一阶动载因子减小14.7%。给出了刚性地面和柔性桥面前四阶行人荷载动载因子拟合公式,其可为柔性结构下考虑行人 结构相互作用的生物力模型的建立提供参考。     

拱形立体桁架结构振动台试验研究

为研究拱形立体桁架结构在强震作用下的破坏模式,以一实际工程为背景,对拱形立体桁架结构进行缩尺比例为1/15的振动台试验。对模型相似比的选取、模型设计以及加载方案、测点布置等进行说明,得到各级人工波作用下,模型自振频率、阻尼比、加速度反应、位移反应以及杆件应变,研究模型自振特性的变化规律,获得拱形立体桁架结构在强震作用下的破坏模式。研究表明,随地震波峰值加速度的增大,结构各向自振频率和等效刚度降低,结构阻尼比增大。地震波向模型顶部传播过程中,加速度和位移响应随结构高度逐渐放大。当输入峰值加速度达到0.8 g时,结构刚度迅速下降,主桁架斜腹杆大量屈曲;当输入峰值加速度达到1.0 g时,结构刚度下降50%,发生平面内反对称变形。     

高层建筑结构的风振阻尼控制分析与设计方法

本文首先分析了阻尼比对结构风振反应的控制效果,重点讨论了阻尼比对风振脉动增大系数的减小效果和具体计算方法,给出了便于工程实际应用的阻尼比为10%～30%的风振脉动增大系数随基本风压和结构基本周期变化的计算图表。结果表明,结构阻尼比增大,风振脉动增大系数明显减小。其次,分析了结构耗能减振系统的附加阻尼特性,给出了调频质量阻尼器(TMD)、调频液体阻尼器(TLD)和速度线性相关型耗能器附加给结构阻尼比的实用计算公式。最后给出了100层钢结构分别设置TMD和线性粘滞阻尼器的风振控制分析和设计实例。实例结果表明,两种被动阻尼控制系统对结构最大位移和最大加速度控制效果相同,可以达到40%～55%,同时说明了本文提出的方法可以方便地用于大型结构的风振阻尼控制分析和设计。     

Identification of damping ratio and its influences on wind‐ and earthquake‐induced effects for large cooling towers

Standard 5% damping ratio for high‐rise concrete structures is generally used for dynamic analysis under the action of wind and earthquakes in the existing cooling tower regulations and researches. But considering the unique configuration and material attributes of large cooling towers, the actual damping ratio must be far smaller than the recommended. However, only a few field measurements of damping ratio for large cooling towers have been conducted; neither are there thorough investigation into the qualitative and quantification of wind and seismic effects under different damping ratio. To fill this gap, field measurements of a large cooling tower standing 179 m in northwestern China was performed and acceleration vibration signals at representative positions of the tower under ambient excitation were obtained. The vibration signals were preprocessed combining random decrement technique and natural excitation technique. Three pattern recognition methods (auto‐regressive and moving mean model, Ibrahim time domain, and spare time domain (STD)) were applied to analyze the frequencies, damping ratios, and modes of vibration for the first 10 order modes. Following the line of thought of modal combination, the equivalent synthetic damping ratio was derived. Under 5 damping ratios (0.5%, 1%, 2%, 3%, and 5%), a comparative analysis on the dynamic responses of the cooling tower to wind and single seismic loading by using full transient method was performed. On this basis, the patterns of influence of damping ratio on wind‐induced vibration, wind vibration coefficient, and time history and extrema of seismic responses were extracted. Finally, different combinations of dead weight, wind, temperature in winter, sunshine duration, and seismic intensity and those of accidental seismic effects (8 working conditions) were considered, using equivalent synthetic damping ratio and standard damping ratio. Thus, the most unfavorable working conditions were identified under actual and standard damping ratios for the large cooling tower. Our research findings provide reference for determining the value of damping ratio in large cooling towers and deepening the understanding on the influence mechanism of damping ratio.     

节能砌块隐形密框结构动力特性振动台试验研究

通过节能砌块隐形密框结构3层楼房1/2模型振动台试验,用白噪声测定了各工况下结构的动力特性,并分析了其变化规律。结果表明:结构的刚度较大,在振动台输入峰值加速度达到0.82g时,模型结构基本上仍处于弹性阶段,结构自振频率没有急剧下降,结构的耗能性能较好,初始阻尼比较高。随着输入峰值加速度的上升,内部裂缝发展,结构的自振频率逐渐下降,周期逐渐增大,阻尼有所增长。     

风雨耦合作用下桥梁主梁涡振节段模型试验

针对风雨耦合作用下桥梁主梁的涡激振动问题,首先从降雨特性及其对结构的作用入手,考虑雨滴冲击和降雨引起的结构表面积水,探讨了对应模型与原型雨强相似比,并依据主梁振动和降雨设备的特点对相似关系作了适当简化,然后以4类典型主梁断面为例,实现了不同雨强和攻角下的节段模型动力特性与涡激振动试验。结果表明:随着雨强增大,结构振动频率有所降低,而阻尼比有所增加,试验雨强为120 mm·h-¹时,频率降低1.5%~3.5%,阻尼比增加了0.05%~0.15%,考虑雨强相似比后实际降雨对频率的影响可忽略,对阻尼比的影响也相当小;涡振的起始和结束风速以及区间数目基本不随雨强的变化而变化,但有雨时的振幅比无雨时小,试验雨强较大时,振幅减小明显,考虑雨强相似比后试验雨强120 mm·h^-1的原型值均超过615 mm·h^-1左右的中国雨强极值,其对涡振响应的影响非常有限。     

人行天桥动力特性参数时变性分析及其TMD减振控制

人行天桥动力特性是影响桥上行人舒适度的主要因素。针对随机人群行走对人行天桥模态阻尼比和模态频率的影响,考虑人-人相互作用的行人步态主被动调整策略,基于考虑行人同步率的随机人群集中模型,推导了随机人群-人行天桥-TMD系统的耦合动力方程,分析了人行天桥动力特性参数时变规律,提出了基于人行天桥动力特性参数时变的TMD减振设计方法。结果表明：考虑人-人相互作用时,在随机人群行走下,人行天桥一阶瞬时阻尼比随人群密度的增大而大幅提高,提高的幅度与人行天桥基频和模态质量呈正相关;在随机人群行走下,人行天桥一阶瞬时频率随人群密度的增大而不断下降,降低的幅度与人行天桥基频呈负相关。基于人行天桥动力特性参数时变的减振设计方法能有效地减小单人定频行走、单人随机行走和随机人群行走下结构的竖向振动响应,其中0.6人/ m2随机人群行走工况下,人行桥竖向振动加速度减振率达到72%。     

钢结构人行桥TMD减振分析及测试

钢结构人行桥在人行荷载作用下,会产生竖向振动。过大的振动不但会引起舒适度问题,还可能引发结构的安全问题。本文采用Midas Gen软件对上海市某人行桥进行人行荷载激励下的动力响应分析,对比安装经优化设计的TMD系统前后的结构振动响应,验证了TMD良好的减振效果。并对该人行桥进行安装TMD前后的对比振动测试,用加速度峰值、整体均方根值和连续均方根值评价了TMD的减振作用。     

前后排抗滑桩加固滑坡桥基的振动台试验研究

 设计并完成前后排抗滑桩加固滑坡桥基的振动台模型试验。通过输入不同频率、加速度峰值的正弦波,分析振动时桥墩基桩、抗滑桩的受力变形规律,以及PGA放大系数变化特性。试验结果显示,当滑体为可塑的粉质黏土时,后排抗滑桩桩后土压力峰值分布随台面加速度峰值变化,由三角形逐渐变为倒三角形;由于桥墩、后排抗滑桩间距很小,两者相互作用增强,桥墩基桩受到较大的动力荷载影响,随着台面振动加速度峰值增加,桥墩基桩的应变最大值从桩顶下移至滑面附近;当正弦波加速度峰值相等时,频率越高,土体黏滞阻尼越小,滑坡的PGA放大系数越大,相应云图呈层状分布,同时高频振动波使土体产生较小的位移和变形,导致滑坡推力也较小;振动波在向上传播时,土体存在滤波效应,自振频率附近的频谱幅值会被放大。     

Wind effects on Shenzhen Zhuoyue Century Center: Field measurement and wind tunnel test

Field measurements of wind effects on Zhuoyue Century Center were conducted during 4 typhoon events in the recent 5 years, during which the field data such as wind speeds, wind directions, and acceleration responses were simultaneously and continuously measured. On the basis of field measured data, dynamic characteristics of this super‐tall building were determined by recently developed fast Bayesian fast Fourier transform method. Using full‐scale measurement data under 4 typhoons and breezy conditions for modal identification, one could observe a relatively wide scatter in the identified modal damping ratios, and the damping ratios do not appear to have an obvious nonlinear relationship with vibration amplitude. The average damping ratios of the first 2 modes were 0.70% and 0.73%, respectively. Serviceability of the super‐tall building under wind action was analyzed on the basis of the field measured response. Finally, the measured wind‐induced acceleration responses were further compared with those obtained from the wind tunnel test to evaluate the accuracy of the model test results.     

踮脚和跳跃荷载下四边简支全装配式RC楼盖振动特性试验研究

为研究分布式连接全装配RC楼盖(简称全装配楼盖)竖向动力特性与人致激励响应规律,进行了2个全装配楼盖和1个现浇楼盖在四边简支条件下的动力试验,并施加了多种人致振动激励,分析了楼盖在踮脚和跳跃荷载下的振动特性。结果表明：全装配楼盖的自振频率小于现浇楼盖的,而阻尼比相对于现浇楼盖的有较大提高,前3阶的振动模态中只有第1阶与现浇楼盖的相同;板缝连接件可有效传递全装配楼盖横板向振动,大幅提高其振动频率、减小楼盖振动响应;连接件数量和位置对全装配楼盖竖向振动响应有较大影响,跨中连接件的影响最显著;随着荷载频率和行人的增加,全装配楼盖的峰值加速度逐渐增大,荷载越靠近楼盖中心则峰值加速度越大,单人激励下全装配楼盖与现浇楼盖的峰值加速度差值大于多人激励下的;全装配楼盖的振动频率满足舒适度要求,但峰值加速度响应不满足舒适度性能指标,设计中可根据要求选择连接件规格和数量,以达到自振频率和峰值加速度双控条件下的舒适度评价标准;基于正交各向异性双向板振动理论提出用于预测全装配楼盖自振频率和峰值加速度的计算方法,所得理论值与试验值吻合良好。     

超高层建筑气动弹性效应双向受迫振动风洞试验研究

通过双向受迫振动风洞试验对高347m的长沙世茂广场模型的气动弹性效应进行研究,模拟结构平面两个轴向的一阶振动,同步测量了振动模型上的表面风压和模型顶部位移。在对振动模型横风向和顺风向的气动弹性力分析基础上,识别了该模型气动阻尼比和气动刚度比,计算并分析了气动弹性效应对结构风致响应和等效风荷载的影响。分析结果表明,在100年重现期风速作用下,该模型气动阻尼比为正值,气动刚度为负,气动刚度相对于结构刚度较小,对结构自振频率影响不大。考虑气动弹性参数后,顶部最大位移响应可减小5%,最高居住层最大加速度响应可减小10%,由等效风荷载计算得到的基底总剪力和基底总弯矩减小1.1%左右。分析表明,双向受迫振动风洞试验是一种有效且有实用前景的超高建筑气动弹性参数识别方法。