智能隔震:基于能量响应和可靠度的前景分析

介绍了智能隔震结构能量响应和动力可靠度分析的主要方法和数值规律。以多遇地震的情形为例,显示了线弹性智能隔震体系的瞬时能量传递的解析规律;以罕遇地震的情形为例,列举了滞变智能隔震结构的动力可靠度分析方法。在罕遇地震下,用退化Bouc-Wen模型描述上部结构的恢复力,用非退化Bouc-Wen模型描述隔震层的恢复力。采用虚拟激励法计算结构的随机响应,根据我国抗震规范中“大震不倒”的设防目标,采用各层最大层间位移峰值响应和累积滞变耗能构造双参数的随机疲劳累积损伤指数,作为功能状态指标。以作者承担的一项实际隔震工程作为数值算例,对比了被动隔震、智能隔震与非隔震体系的能量响应和条件失效概率,显示了智能隔震体系的减震优势。     

使用板式橡胶支座连续梁桥主梁位移控制

为改善使用板式橡胶支座连续梁桥的抗震性能,通过附加黏滞阻尼器进行组合减隔震设计,采用复模态、近似实模态分析方法,研究结构地震响应及阻尼特性。结果表明:黏滞阻尼器提供的附加阻尼能有效降低梁体位移,但同时也导致桥梁具有非经典阻尼特性,主梁位移受非经典阻尼影响较小;黏滞阻尼器能明显提升结构阻尼水平,为有效控制梁体位移,应考虑黏滞阻尼器的合理布设位置,多墩布置优于单墩布置。     

极端地震下惯容器-弹簧-阻尼装置对隔震结构减震效果研究

通常在隔震层附加黏滞阻尼系统以增加阻尼从而减少大震下的隔震层位移,但可能带来结构加速度响应的增加,故在减少隔震层位移与加速度响应增加这两者间需要平衡。将惯容器-弹簧-阻尼装置(ISD)应用于隔震结构受极端地震作用时抑制过大的隔震层位移,同时控制加速度响应的增加,ISD装置由惯容器串联弹簧单元和阻尼单元构成,该装置具备放大表观质量和对主系结构进行调谐。基于定点理论推导了无阻尼单自由度体系受简谐荷载作用时的ISD最优参数封闭解,且对全频段最大值的控制效果好于既有文献的优化解。采用一栋6层隔震建筑为例进一步检验ISD的控制效果,分别附加ISD和线性黏滞阻尼器(LVD)在隔震层,ISD的参数由定点理论推导的最优解确定,从而进行极罕遇地震水准下的性能对比分析。算例结果表明,ISD装置性能优于LVD,ISD装置能更有效地改善极罕遇地震下的结构性能状况,在减少隔震层位移的同时也能减轻加速度响应,结构楼层剪力与倾覆弯矩有所降低。     

下部减震层间隔震结构振动台试验研究

层间隔震体系是基础隔震体系的发展与延伸,作为一种复杂结构体系,以往的研究仅限于探讨隔震层参数对地震响应及减震效果的影响,本文首次进行了下部结构附加黏滞阻尼器的层间隔震结构振动台试验研究。设计了1个四层的钢框架模型,首先进行了基础固接及1层顶隔震的振动台试验研究,其次,在1层顶隔震的基础上,在下部结构附加了黏滞阻尼器进行下部减震层间隔震结构的振动台试验研究,测定结构的加速度、层间位移及层剪力系数。试验结果表明,下部减震是在层间隔震基础上进一步提高隔震减震效果,降低结构地震响应行之有效的策略。本文还建立了层间隔震结构的有限元模型,将有限元分析结果与试验结果进行了对比。     

黏滞阻尼器-基础隔震混合体系优化研究

针对隔震层设置黏滞阻尼器的基础隔震结构,提出了非支配排序遗传算法-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)的黏滞阻尼器的参数多目标优化方法。采用Bouc-Wen模型模拟隔震层的力-变形行为,建立受控结构运动方程,并进行非线性时程分析,选用隔震层位移及上部结构顶部相对隔震层位移为优化目标,采用NSGA-Ⅱ遗传算法优化得Pareto最优前沿解集。以某六层基础隔震结构为例进行数值分析,通过分析隔震层振动响应的快速傅里叶变换(FFT)谱及反应谱,以及通过调整优化目标的约束条件及参数的优化范围,利用NSGA-Ⅱ算法获得了较为集中的阻尼器参数分布,然后通过其它地震波验证了黏滞阻尼器的减震效果。结果表明,优化所得阻尼器能有效减少了隔震层的位移;当优化所得阻尼器对上部结构地震响应不利时,可通过降低阻尼器的减震效果使上部结构地震响应控制在合理范围内;不同地震波作用下阻尼器减震效果存在差异,在第一周期范围内,当隔震层的激励频率趋向低频时,阻尼器对隔震层位移控制效果越好;阻尼器减震效果与隔震层的附加阻尼有关,提供过大的附加阻尼比对上部结构较高阶动力反应不利;设计者基于隔震层位移控制的阀值及缩小的阻尼器参数优化范围,可获得应用于实际工程的阻尼器参数。     

隔震体系对摇摆自复位高墩工作性能的影响

为提高摇摆自复位高墩的隔震性能,将铅芯橡胶支座及液体黏滞阻尼器与摇摆自复位高墩进行组合形成了2种不同的隔震体系。以2种不同强度下的3条地震动作为输入,采用OpenSEES利用动力时程分析方法对各隔震体系的地震动响应进行了分析。通过对墩身最大剪力、墩身最大弯矩、墩顶最大位移和主梁最大位移的隔震指标及最大墩梁相对位移绝对值的对比发现:墩梁固结条件下在桥台与主梁间设置液体黏滞阻尼器的体系2和墩、梁间设置铅芯橡胶支座且在桥台与主梁间设置液体黏滞阻尼器的体系3分别适合作为软土场地和硬土场地上修建的摇摆自复位高墩的隔震体系。     

隔震结构损伤性能与可靠度研究

提出隔震结构的地震损伤模型,并采用概率密度演化理论分析隔震结构地震损伤指数的概率统计特征,为隔震结构性态目标的量化提供依据。考虑隔震支座的压剪相关性和拉压性能的差异,给出隔震层的损伤指数模型,再利用Park-Ang损伤指数描述上部结构的损伤状况,建立隔震体系的损伤指数模型;将隔震结构简化为双质点模型,采用Bouc-Wen模型和刚度退化的Bouc-Wen模型分别描述隔震层与上部楼层的滞变特性,建立隔震结构的状态方程,应用四阶龙格-库塔方法迭代求解求解出隔震结构的位移反应和滞变耗能,进而求解隔震结构的损伤指数;建立隔震结构损伤指数的概率密度演化方程,求解损伤指数的统计特征和概率密度函数,然后根据极值分布理论计算损伤指数超过不同性能水准的可靠度。本研究为以可靠度为理论基础的隔震结构损伤分析提供了可借鉴的方法。     

一种聚合阻尼耗能结构理论模型与地震响应研究

针对高层框架核心筒剪力墙结构体系在地震作用下层间位移小,阻尼器难以发挥较好耗能作用的问题,基于内核心筒和外围框架结构的变形特点,在框架核心筒的聚合变形位置设置位移放大型高效阻尼器（SDA）,形成了聚合阻尼耗能结构体系（NSD）。分析了位移放大阻尼器的耗能力学性能,提出了普通型黏滞阻尼器（VD）和放大型黏滞阻尼器的阻尼力及耗能理论公式。设计制作了 3 倍位移放大型黏滞阻尼器和普通黏滞阻尼器的试验模型,进行正弦波往复加载试验,得到不同试验工况下黏滞阻尼器的滞回耗能曲线,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;对比 SDA 与 VD 的耗能效果,得出在相同位移下,SDA 比 VD 滞回曲线更加饱满、耗能更为显著。进一步对一栋聚合阻尼耗能结构进行地震响应分析,结果表明与传统结构相比,聚合阻尼耗能结构具有良好的减震性能。     

近场地震下层间隔震偏心结构的减震控制

提出了近场地震分析模型,建立了层间隔震偏心结构平-扭耦联运动方程。基于三刚片系简化模型分析了偏心参数对层间隔震偏心结构的影响规律,定量分析了近场地震中脉冲分量对层间隔震偏心结构地震反应的作用效应。研究了在隔震层附设黏滞阻尼器的参数优化规律并对某典型算例进行了仿真分析。结果表明,在层间隔震体系隔震层处设置参数合适的黏滞阻尼器可有效地控制上部结构、隔震层与下部结构结构的地震响应,减小结构的基底剪力,对改善层间隔震偏心结构的地震安全性具有非常重要的作用。     

粘滞阻尼减震结构振动台试验与动力可靠度分析

开展了随机地震动作用下黏滞阻尼减震结构振动台试验,并采用概率密度演化方法和等价极值事件原理,对有控和无控试验模型的动力可靠度分别进行了分析。结构控制振动台试验中,采用基于物理随机地震动模型生成的地震动样本作为台面输入。试验结果表明:采用黏滞阻尼器作为减振装置,能够显著降低模型结构层间位移反应的均值和标准差,与此同时,楼层剪力的均方根值一般也较无控时明显减小;随机地震动作用下,模型结构动力响应的变异性显著,并且不同试验地震动样本输入时,黏滞阻尼器取得的减振效果不同。试验模型动力可靠度分析结果表明,有控模型结构各楼层可靠度以及体系可靠度均较无控时显著提高,抗震可靠性明显增强。     

核电厂隔震结构附加侧向阻尼系统分析模型及减震效果

提出对半埋置/全埋置小堆三维隔震结构附加侧向黏滞阻尼的混合控制系统,达到同时控制水平加速度、水平位移以及摇摆反应且不影响竖向隔震效果的目的。基于隔震层及侧向阻尼系统变形分析,建立考虑隔震层平动及摇摆的耦合效应和侧向阻尼器协调转动变形的刚体动力学模型。基于RG1.60谱选取30条地震输入信号开展参数分析,探究阻尼布置参数、附加阻尼力参数及阻尼滞回形状参数对减震效应的影响。研究发现合理的附加阻尼力与隔震层出力比值区间为10%～20%,最优参数下水平加速度位移可同时分别减小20%,40%,最大摇摆反应减小70%。选取合理阻尼参数对某真实核电厂模型进行案例分析,摇摆角、加速度、隔震层位移等地震响应指标均减小,边支座受拉现象消失,案例数值模拟结果与参数分析规律一致,也与理论分析吻合。     

设置黏滞阻尼器的斜拉索参数振动模型及控制分析

为了掌握黏滞阻尼器对斜拉索参数振动的抑振效果,考虑拉索几何非线性、倾角以及桥塔和加劲梁的协同振动影响,建立了黏滞阻尼器-拉索-塔梁耦合体系的参数振动模型,推导了黏滞阻尼器作用下斜拉索的运动方程组,提出了控制拉索参数振动的阻尼器阻尼系数计算公式,并与传统单索模型对比,分析了塔梁协同作用对拉索固有频率的影响水平;编制计算程序比较了斜拉索安装阻尼器前后的振动位移时程特征,研究了三种典型索梁频率比下阻尼器的阻尼系数、安装位置对拉索参数振动的影响。结果表明:塔梁协同作用对拉索固有频率的影响水平与索力、索长密切相关,索力越小,索长越长,塔梁协同作用的影响率也越大。安装了黏滞阻尼器后,斜拉索的振动位移呈非线性衰减趋势;随着阻尼系数的增大,拉索的最大振幅逐渐减小,但其振幅衰减率呈现先增加后降低的趋势,系统存在一个最优阻尼系数;阻尼器安装位置距离索梁锚固端越远,拉索振幅越小,存在一个衰减率为零的临界安装位置,当阻尼器安装位置超过临界位置时,振幅不能持续衰减,阻尼器的抑振效率降低。     

随机车流制动状态下斜拉桥黏滞阻尼器振动控制研究

为了研究随机车流制动状态下斜拉桥的结构纵向响应以及黏滞阻尼器的振动控制效果,结合采集的交通荷载数据与交通流关键参数统计,建立3种车流密度的随机车流模型。其次基于车-桥系统耦合关系,利用改进折半查找法确定单主梁模型车辆荷载加载方法,编制单主梁模型车-桥耦合分析模块。通过建立的随机车流制动模型,对斜拉桥制动工况下结构纵向响应、纵向黏滞阻尼器振动控制效果和制动影响因素进行分析。结果表明:随机车流制动工况下,会产生相反方向的制动响应,且桥梁结构响应大于正常随机车流;纵向黏滞阻尼器可有效控制结构纵向位移,速度指数α越小,阻尼系数C越大,控制效果越突出,控制效率最大可达到90%左右;桥梁后半段制动响应和制动系数明显大于前半段的制动响应;制动车道越多,制动响应和制动系数越大;对于车流密度,制动产生的响应和制动系数大小规律为——密集流适中流稀疏流。     

高烈度震区大跨径中承式钢箱系杆拱桥减隔震技术研究

为了研究高强度地震作用下大跨径中承式钢箱系杆拱桥地震响应及减隔震技术,以西双版纳黎明大桥为工程背景,选取类似场地的实际地震动记录作为输入地震波,采用非线性时程分析法,研究支座类型及参数变化对拱桥结构的减隔震效果。结果表明：相比于普通支座,减隔震支座能大幅降低结构内力,但纵向位移有所增加,且摩擦摆支座的减隔震效果要强于铅芯橡胶支座;摩擦摆支座+黏滞阻尼器联合抗震体系能够有效降低纵向和横向位移,进一步能提升桥梁的抗震性能;对联合抗震体系进行参数敏感性分析可知：最佳的参数范围是：摩擦因数为0.04,曲率半径在3 200～4 200 mm,阻尼系数为6 000,阻尼指数在0.2～0.4;在最优抗震体系下,结构位移和内力均显著降低,最大减震率分别达到了75.3%和82.3%,表明该体系大幅提高了拱桥抵抗地震的能力,为同类桥梁减隔震设计提供参考。     

地震作用下全浮漂大跨斜拉桥耗能减震控制研究

以某实际全浮漂大跨斜拉桥为研究应用对象,探讨了全浮漂大跨斜拉桥阻尼器的布置原则,考虑桩-土的相互作用,建立了全桥空间有限元分析模型,针对该非比例阻尼体系,通过基于应变能理论的振型阻尼分别考虑上部结构阻尼、下部结构阻尼和阻尼器阻尼,从而实现结构不同部分不同阻尼引入到有限元分析模型。然后进行了粘滞阻尼器参数优化,得到了最优阻尼系数和最优阻尼速度指数,并进行减震效果分析。研究结果表明：采用粘滞阻尼器可有效控制结构的地震响应,主塔顶位移、主梁位移和主塔底弯矩分别减小为普通全浮漂体系的60.4%、56.7% 、71.8%,各个桥墩支座位移减震效果;随着阻尼系数增加和阻尼速度指数的减小,梁端位移、塔顶位移和阻尼器位移减小,主塔墩底弯矩单调减少,当达到阻尼系数增加和阻尼速度指数的减小到一定值时主塔墩底弯矩控制效果基本稳定。     

风和车流作用下悬索桥纵向减振及阻尼器参数优化EI北大核心CSCD

为了对运营阶段风和车流作用下大跨公路悬索桥进行纵向减振并对阻尼器进行参数优化,通过在已有的风‑车‑桥耦合振动分析系统中引入液体黏滞阻尼器单元,建立了随机风‑车流‑悬索桥分析系统。以一座典型山区大跨悬索桥为工程背景,采用建立的分析系统对比分析了布置阻尼器前后加劲梁在随机风和车流作用下纵向振动的时频特性。在此基础上,进行了阻尼器的参数敏感性分析,研究了阻尼器参数的不同取值对加劲梁位移和塔底内力的影响规律。以优化全桥结构受力、降低纵向振动响应为目标,采用响应面法对阻尼器的参数进行了优化分析。研究表明:对于风、车流荷载单独以及联合作用下的加劲梁纵向振动,阻尼器均能有效降低纵向振动的幅值;但能否降低纵向振动的频率取决于纵向振动中主频的成分。设置液体黏滞阻尼器后,风、车流荷载单独或者联合作用下,加劲梁纵向位移极值和纵向累积位移均随着阻尼系数的增大和速度指数的减小呈减小趋势。此外,不同荷载工况下液体黏滞阻尼器对塔底纵向弯矩的影响规律不同:在风荷载单独作用下,阻尼器会增加塔底纵向弯矩。优化后的液体黏滞阻尼器参数建议取值区间为:阻尼系数宜取500-700 kN/(m/s)^(α),速度指数宜取0.3-0.5。     

长周期地震动作用下高层隔震结构减震性能试验研究

近、远场长周期地震动中的长周期和近场脉冲特性的存在,可能导致长周期的高层隔震结构产生隔震层位移放大效应。通过振动台试验分析与验证其对长周期的高层隔震结构减震性能带来的不利影响,首先分析近、远场长周期地震动的反应谱特性;接着设计制作一个具有典型工程意义的大底盘单塔楼缩尺模型,进行有限元分析与振动台试验,探讨长周期地震动对楼层加速度、层间位移和隔震层位移等减震性能的影响;最后针对可能出现的隔震层位移超限问题,提出在隔震层增设黏滞阻尼器组成的复合减隔震体系,分析验证其减震和限位保护效果。结果表明:远场长周期地震动下隔震结构的响应明显大于普通周期地震动;近场脉冲长周期地震动作用下结构减震效果较差,隔震层位移明显大于位移容许值;复合减隔震体系有效地控制了隔震层的最大位移,降低了大底盘的加速度和层间位移响应,同时对上部塔楼也具有较好的减震效果。     

附设黏滞阻尼器的仿古建筑混凝土枋-柱节点动力性能试验研究EI北大核心CSCD

为研究附设黏滞阻尼器的仿古建筑混凝土枋-柱节点在地震作用下的抗震性能,设计制作了3个仿古建筑混凝土枋-柱节点,包括2个附设黏滞阻尼器的有控结构试件,1个未附设黏滞阻尼器的无控结构对比试件,对其进行动力试验。观察试件的受力过程及破坏特征,分析其受力机理及破坏模式,并研究了其荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、承载能力、刚度退化等力学特性。试验结果表明:附设黏滞阻尼器的仿古建筑混凝土枋-柱节点抵御外荷载的能力明显高于未附设黏滞阻尼器的无控结构,屈服荷载提高幅度平均值约为27.4%,极限荷载提高幅度平均值约为22.4%;附设阻尼器的有控结构位移延性及耗能能力均优于无控结构,且有控结构的骨架曲线在达到极限荷载之后的下降段更为平缓;极限荷载时,有控结构的等效黏滞阻尼系数提高幅度约为27.3%~30.8%,说明附设黏滞阻尼器的仿古建筑混凝土枋-柱节点具有更为优越的抗震性能。     

附设黏滞阻尼器的仿古建筑混凝土枋-柱节点动力性能试验研究

为研究附设黏滞阻尼器的仿古建筑混凝土枋-柱节点在地震作用下的抗震性能,设计制作了3个仿古建筑混凝土枋-柱节点,包括2个附设黏滞阻尼器的有控结构试件,1个未附设黏滞阻尼器的无控结构对比试件,对其进行动力试验。观察试件的受力过程及破坏特征,分析其受力机理及破坏模式,并研究了其荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、承载能力、刚度退化等力学特性。试验结果表明:附设黏滞阻尼器的仿古建筑混凝土枋-柱节点抵御外荷载的能力明显高于未附设黏滞阻尼器的无控结构,屈服荷载提高幅度平均值约为27.4%,极限荷载提高幅度平均值约为22.4%;附设阻尼器的有控结构位移延性及耗能能力均优于无控结构,且有控结构的骨架曲线在达到极限荷载之后的下降段更为平缓;极限荷载时,有控结构的等效黏滞阻尼系数提高幅度约为27.3%~30.8%,说明附设黏滞阻尼器的仿古建筑混凝土枋-柱节点具有更为优越的抗震性能。     

基于能量平衡的基础隔震结构地震响应预测及优化设计法研究

为了能快速准确地预测基础隔震结构隔震层响应的上限值,针对隔震层设置滞回型阻尼器的基础隔震结构建立地震能量平衡方程,根据等价往复滞回次数下限值经验公式提出考虑等价往复滞回次数降低的地震响应预测法。给出了预测式的推导过程,分析了阻尼量较大时等价往复滞回次数降低的现象,通过非线性时程分析验证了该预测法的准确性。分析了最优总剪力系数设计的剪力降低效果。利用总剪力降低率和位移降低率的线性组合构建优化设计目标函数,在此基础上提出能够考虑剪力和位移不同侧重需求的优化设计法。通过对6层钢框架基础隔震结构进行优化设计和时程分析验算,验证了优化设计法的可行性与高效性。