带有摩擦耗能元件的框架结构动力分析

本文提出粘性屈服模型来模拟摩擦耗能元件的力-速度关系,该模型是连续变化的,克服了库仑摩擦模型不连续导致数值计算复杂的缺点,在进行摩擦耗能体系的动力分析中,采用缩减自由度技术,并作适当的变换,则带有摩擦耗能元件体系的动力分析归结为求解微分代数方程,本文采用增量型Rosenbrock二级三阶半隐式Runge-Kutta法求解该方程,以考虑框架和支撑的材料和几何非线性。对带有摩擦耗能元件的钢框架进行了弹塑性动力分析,研究了支撑刚度与结构层刚度的比值、摩擦力的大小以及地震波类型等参数对体系的影响。     

高层钢-混凝土混合结构地震作用下的能量反应分析

针对目前高层建筑混合结构中常用的外钢框架-内混凝土核心筒混合结构,从地震能量输入和结构能量耗散的角度对其进行了地震作用下的能量反应分析.通过选取不同的地震动参数对混合结构的总输入能及其在滞回耗能和阻尼耗能之间的分配情况进行了研究,明确了地震动各参数的变化对混合结构能量反应的影响;通过分析不同地震波作用下混合结构的滞回耗能在外钢框架和内混凝土核心筒间的分布以及在结构层间的分部情况知,底层剪力墙是整个混合结构中滞回耗能比较集中的区域,地震破坏最为严重.通过本文研究知,地震反应的能量分析方法是一种能较好反应混合结构在地震作用下的地震反应全过程及其弹塑性性能的方法.     

地震作用下巨子型有控结构的半主动控制研究

在巨子型有控结构(MSCSS)的巨结构、子结构之间设置磁流变(MR)阻尼器,利用模糊神经网络建立了MR阻尼器的控制规则,并且运用遗传算法对控制器的规则库进行优化,研究了MSCSS在地震作用下的半主动控制问题。时程分析结果表明:在El-Centro地震波和Taft地震波作用下,本文建立的MR阻尼器均能很好地发挥调频子结构的减振功能,使巨结构的响应大为减小,两种地震波下结构顶层位移响应最大值的降幅分别为64%和74%,而层间位移响应的减小幅度也分别达到42%和61%。利用概率密度演化算法计算了结构在强度-频率双非平稳地震谱激励下的随机振动,计算结果显示本文对MSCSS进行的半主动控制能够使结构顶层位移均方响应峰值降低79%,提高了结构的抗震性能。     

高效耗能摩擦阻尼钢筋混凝土框架结构减震性能分析

研究了高效耗能摩擦阻尼器的减震机理。利用力学原理，分析了地震作用下高效耗能摩擦阻尼器的摩擦阻尼力放大系数变化规律，推导了设置高效耗能摩擦阻尼器结构的等效阻尼比计算公式。在此基础上，对分别设置传统摩擦阻尼器和高效耗能摩擦阻尼器的框架结构进行了地震反应分析，结果表明，高效耗能摩擦阻尼器通过将较小的摩擦阻尼力放大可以显著降低结构地震反应，减震效果良好；利用本文给出的等效阻尼比分析得出结构顶层位移反应幅值，与阻尼等效前相应值误差不超过10%。     

基于自动分组遗传算法的建筑结构体系与构件尺寸协同优化设计

研究了利用结构优化方法实现建筑结构体系选择的问题。文中建立了可以覆盖框架、框架-剪力墙和巨型结构三种体系的优化模型,并采用自动分组遗传算法求解,实现了结构体系与构件尺寸的协同优化。文章特别设计了三类模块,每类模块通过专门构造的含有多个分量的设计变量来表示,按一定方式组合这些模块可得到不同体系的结构。巨型结构中,巨型构件的设计变量表示方法和惯性矩计算方法满足提出的三条假设。基于精心构造的设计变量和三条相关假设,文中建立了以结构总材料用量最少为目标,考虑强度、刚度、分组及构造要求等约束条件的优化模型,采用自动分组遗传算法研究了40层、10层、6层三种高度建筑的优化设计。在相同外荷载条件下,它们的最优设计分别为巨型结构、框架-剪力墙和框架结构。     

基于自动分组遗传算法的建筑结构体系与构件尺寸协同优化设计

研究了利用结构优化方法实现建筑结构体系选择的问题。文中建立了可以覆盖框架、框架-剪力墙和巨型结构三种体系的优化模型,并采用自动分组遗传算法求解,实现了结构体系与构件尺寸的协同优化。文章特别设计了三类模块,每类模块通过专门构造的含有多个分量的设计变量来表示,按一定方式组合这些模块可得到不同体系的结构。巨型结构中,巨型构件的设计变量表示方法和惯性矩计算方法满足提出的三条假设。基于精心构造的设计变量和三条相关假设,文中建立了以结构总材料用量最少为目标,考虑强度、刚度、分组及构造要求等约束条件的优化模型,采用自动分组遗传算法研究了40层、10层、6层三种高度建筑的优化设计。在相同外荷载条件下,它们的最优设计分别为巨型结构、框架-剪力墙和框架结构。     

基于Kriging代理模型的连梁金属阻尼器性能研究与参数优化设计

连梁阻尼器是剪力墙连梁结构中主要的耗能部件,其构造形式直接影响剪力墙的性能。本文从连梁阻尼器的几何特征入手,在用料相同的前提下,对四种典型开孔形式金属平面内屈服连梁阻尼器进行耗能性能对比研究,引入Kriging代理模型,构造出不同开孔尺寸与滞回耗能的关系。然后,分别对四种开孔形式的连梁阻尼器几何参数进行进一步优化,以获得最优构型。为简化优化迭代过程中反复的多步加载非线性求解计算,在优化过程中以Kriging代理模型作为反演优化平台,代替原有的几何参数与滞回耗能关系,并采用最大期望提高加点方法,不断提高代理模型在最优解附近的精度,在提高代理模型的代理精度同时,也提高了优化设计效率。所提算法为寻求一种形式简单、性能优越的金属平面内屈服连梁阻尼器提供了新的解决框架。     

带变截面可更换耗能梁段的高强钢框架-偏心支撑有限元参数分析

提出了一种新型变截面可更换耗能梁,控制塑性变形集中在耗能区域中,通过扩大截面与框架梁采取翼缘和腹板螺栓拼接连接,易于实现螺栓弹性设计,减小螺栓滑移,完成耗能梁端在地震作用后的更换。利用变截面可更换耗能梁段中部区域耗能集中与塑性变形优越的特性,结合高强钢的较大弹性变形,在偏心支撑钢框架中设置变截面可更换耗能梁段,形成带变截面可更换耗能梁段的高强钢框架-偏心支撑结构体系,通过有限元软件模拟验证了已有端板连接可更换耗能梁段试验,对比破坏模式、承载能力与耗能特性,以此为基础,建立了带变截面可更换耗能梁段的高强钢框架-偏心支撑结构有限元模型,通过循环加载研究了结构的承载能力、刚度、受力特点、塑性转角和塑性分布等受力机理。考虑了中间耗能区域长度(e)、钢材牌号组合和变截面可更换耗能梁段长度(e'')三个参数变化对结构抗震性能的影响规律。     

基于遗传算法的半刚性连接钢框架设计

采用基于小生镜技术的遗传算法,对半刚性连接钢框架进行优化设计,针对其早熟现象和局部搜索能力差的缺点改进遗传算法。使用自适应策略改进交叉与变异算子。建立半刚性连接钢框架优化设计数学模型,编制了基于遗传算法的优化设计程序。运用这一优化算法可以直接从型钢截面表中选取截面,并在优化设计过程中考虑了连接可变性和二阶效应的影响。通过几个设计实例表明,考虑几何非线性会使用钢量增加,有支撑的情况下,半刚性连接较刚接用钢量经济。     

基于遗传算法的抗震钢框架多目标优化设计

考虑抗震钢框架优化问题具有多目标的特点，在遗传算法的基础上对抗震钢框架多目 标优化设计进行了探讨. 在无约束Pareto排序遗传算法的基础上，提出了一个简单、实用 而又可以避免采用罚函数的全新排序方法，在此基础上形成了一种求解有约束多目标优化 问题的Pareto遗传算法(CMOPGA), 并给出了具体的算法流程图. 以钢框架重量最轻和结构 总动应变能最小为目标，基于相关的设计规范，给出了抗震钢框架多目标优化问题的一种合 理提法. 采用CMOPGA对一个两跨六层抗震钢框架实例进行了多目标优化设计，并提出了一 个在Pareto最优解集的基础上选取妥协解的相对最小距离妥协原则. 算例结果表明，采用 CMOPGA求解抗震钢框架多目标优化问题是可行和有效的.     

基于胡聿贤谱的带支撑广义Maxwell阻尼隔震结构随机响应分析

工程中通过设置支撑将阻尼器和建筑结构连接, 但常为了简化分析, 将支撑的水平刚度看成无穷大, 即不考虑支撑对耗能结构随机地震响应的影响. 实际上, 考虑有限水平刚度的支撑对耗能结构响应的影响更加符合工程实际, 为考虑支撑影响的广义Maxwell耗能隔震结构在胡聿贤谱地震激励下的响应分析, 提出一种求解随机地震响应的简明解析解法. 将带支撑广义Maxwell阻尼器等效本构关系、隔震结构运动方程以及胡聿贤谱滤波方程联合组成非经典阻尼系统, 运用复模态法对该非经典阻尼系统解耦, 通过不同响应模态获得耗能隔震系统系列响应基于白噪声激励的Duhamel积分表达式; 利用Dirac函数的性质, 将系统系列响应协方差简化为无积分运算的表达式, 根据功率谱密度函数与其协方差函数的Wiener-Khinchin关系, 得到耗能隔震系统系列响应功率谱和地面加速度功率谱, 基于随机振动理论中谱矩的定义, 得到耗能隔震系统系列响应0 ~ 2阶谱矩. 算例通过与虚拟激励法对比分析, 验证所提方法在该耗能隔震系统分析的正确性和高效性, 并讨论了不同支撑刚度对阻尼器减震效果的影响.      

Dynamics of a gravity stonewall

Treated is the dynamics of a gravity stonewall. The wall is excited by a transient damped periodic oscillation simulating an earthquake. The model adopts a stick-slip friction constitutive law. Sensitivity of energy dissipation to parameters such as number of blocks, friction coefficient, sticktion and slipping stiffness and excitation amplitude and frequency is determined. A 2-D model of the monolithic wall is also analyzed to compare displacement and shear stress of the two constructions.     

A thermodynamics-based cohesive model for interface debonding and friction

A constitutive model for interface debonding is proposed which is able to account for mixed-mode coupled debonding and plasticity, as well as further coupling between debonding and friction including post-delamination friction. The work is an extension of a previous model which focuses on the coupling between mixed-mode delamination and plasticity. By distinguishing the interface into two parts, a cracked one where friction can occur and an integral one where further damage takes place, the coupling between frictional dissipation and energy loss through damage is seamlessly achieved. A simple framework for coupled dissipative processes is utilised to derive a single yield function which accurately captures the evolution of interface strength with increasing damage, for both tensile and compressive regimes. The new material model is implemented as a user-defined interface element in the commercial package ABAQUS and is used to predict delamination under compressive loads in several test cases.     

采动区建筑物抗变形隔震装置的力学性能分析

介绍了采动区建筑物抗变形隔震装置的基本构成,并基于地震工程学和开采沉陷学的原理对抗变形隔震支座进行了理论分析,通过实验对采动区抗变形隔震支座在低周反复荷载作用下的滞回耗能特性进行了分析。结果显示,在低周循环荷载作用下采动区抗变形隔震支座的滞回耗能曲线饱满,表明其良好的自复位、耗能能力和变形能力大、稳定的滞回性能等特点,说明抗变形隔震支座的传力机制明确、构造比较合理。隔震支座充分利用了铅芯橡胶、粘滞阻尼器和蝶形弹簧三种不同的耗能材料和耗能机制,其适宜的水平隔震刚度和阻尼耗能性能、竖向能够抵抗不均匀沉降,充分体现了其良好的整体稳定性。该抗变形隔震支座有效的改善了采动区建筑抵抗煤矿采动损害和震害的能力,为采动区建筑物保护提供科学方法和依据。     

Micromechanical theoretical and computational modeling of energy dissipation due to nonlinear vibration of hard ceramic coatings with microstructural recursive faults

Engine failures due to high-cycle fatigue during severe dynamic vibration have cost the US Air Force an estimated $400 million dollars per year over the past two decades. Therefore, structural materials that exhibit high damping capacities are desirable for mechanical vibration suppression and acoustic noise attenuation. Few experimental studies suggested that hard ceramic coatings, which are commonly used as thermal barrier coatings (TBCs) to protect engine components from high temperatures and corrosion, can also serve as passive dampers due to their unique microstructure which consists of several layers of splats with inter- and intra-microstructural recursive faults (micro-cracks). Therefore, the focus of this study is on the development of a fundamental understanding of the unique microstructural features and mechanisms responsible for this observed energy dissipation in ceramic coatings under nonlinear vibration through the development of a micromechanical computational framework. Inter- and intra-fatigue damage and internal friction is simulated through the development of thermodynamic-based nonlinear cohesive laws that consider interfacial degradation, debonding, plastic sliding, and Coulomb/contact friction between the interfaces of microstructural faults. Representative volume element-based micromechanical simulations are conducted in order to assess the main micromechanical mechanisms responsible for the experimentally observed nonlinear (amplitude- and frequency-dependent) damping in plasma sprayed hard ceramic coatings. It is concluded that the major part of energy dissipation is achieved through contact friction which results from sliding of the splat interfaces along the microstructural recursive faults. Energy dissipation due to progressive decohesion and evolution of new micro-cracks is not that significant as compared to energy dissipated due to increased friction from existing and new created faults. Therefore, internal friction is the main mechanism that makes TBCs effective dampers.     

建筑结构的SMA被动振动控制方法

文章根据Robery K等研制的SMA中心牵引型耗能器的基本原理，设计出一种具有自我保护能力的新型耗能器，并建立了对应的力学模型。在此基础上，利用Brinson相变发展的本构模型从热力学第一定律出发建立了耗能器的热力学平衡方程式，为了探讨耗能器在结构中的被动控制效果，文章以三层单跨框架结构为例建立了结构在耗能器作用下的动力学方程式。最后，文章分别对耗能器与框架结构进行了数值仿真计算。结果表明，耗能器的耗能能力随温度的升高而下降，通过温控器的调节或改变相变温度点，可以使耗能器处于最佳耗能状态；SMA耗能丝材愈短，在相同的耗能器行程下，丝材应变愈大，相变发展愈充分，耗能量愈大，但最大应变不能超过材料的最大可恢复应变；SMA耗能器对结构在地震作用下的动力响应具有较显著的抑制作用，位移的峰值衰减率约50％一70％。     

Effect of particle polydispersity on micromechanical properties and energy dissipation in granular mixtures

A series of numerical tests was conducted to study the micromechanical properties and energy dissipation in polydisperse assemblies of spherical particles subjected to uniaxial compression. In general, distributed particle size assemblies with standard deviations ranging from 0% to 80% of the particle mean diameter were examined. The microscale analyses included the trace of the fabric tensor, magnitude and orien- tation of the contact forces, trace of stress, number of contacts and degree of mobilization of friction in contacts between particles. In polydisperse samples, the average coordination numbers were lower than in monodisperse assemblies, and the mobilization of friction was higher than in monodisperse assemblies due to the non-uniform spatial rearrangement of spheres in the samples and the smaller displacements of the particles. The effect of particle size heterogeneity on both the energy density and energy dissipation in systems was also investigated.     

考虑结点耗能的导管架平台的动力响应分析

为了降低导管架平台的动力响应，可在导管架平台的连接结点之间加入能量耗散材料。本文以将管接点和能量耗散材料理想化为由转动弹簧和转动阻尼器并联组成的等效单元，结合有限元和动力刚度法推导了其刚度、质量和阻尼矩阵。采用复模态分析和虚拟激励法分析了三维导管架平台的动力特性和随机地震响应，讨论了刚度系数和转动阻尼系数对动力特性和减震效果的影响。算例结果表明，适当选择转动阻尼系数可显著增加结构模态阻尼比和降低结构地震响应。此单元可方便地与通用的结构有限元程序配合，对三维平台结构进行动力分析。     

Effect of particle polydispersity on micromechanical properties and energy dissipation in granular mixtures

A series of numerical tests was conducted to study the micromechanical properties and energy dissipation in polydisperse assemblies of spherical particles subjected to uniaxial compression. In general, distributed particle size assemblies with standard deviations ranging from 0% to 80% of the particle mean diameter were examined. The microscale analyses included the trace of the fabric tensor, magnitude and orientation of the contact forces, trace of stress, number of contacts and degree of mobilization of friction in contacts between particles. In polydisperse samples, the average coordination numbers were lower than in monodisperse assemblies, and the mobilization of friction was higher than in monodisperse assemblies due to the non-uniform spatial rearrangement of spheres in the samples and the smaller displacements of the particles. The effect of particle size heterogeneity on both the energy density and energy dissipation in systems was also investigated.     

考虑接触界面材料微观结构与势能参数的滑动摩擦计算研究

根据独立振子模型的能量耗散机理,提出了在无磨损界面摩擦中,利用通用界面粘附能量函数计算滑动时接触界面势能的变化从而计算摩擦力和摩擦系数的方法,建立摩擦力和摩擦系数与金属材料表面能与微观结构参数的关系,并利用已有的实验数据进行计算.结果表明,摩擦力与金属材料的表面能基本呈线性关系,与比例参数呈线性负相关关系,与晶格常数基本无关.计算结果与粘附理论公式以及超高真空原子力显微镜试验结果吻合较好.