基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法

黏性阻尼模型存在每周期耗散能量与外激励频率相关的缺陷, 复阻尼模型时域计算结果存在发散现象. 为克服上述两种阻尼模型的不足, 在复阻尼模型基础上, 依据时频域转化原则推导了频率相关黏性阻尼模型. 频率相关黏性阻尼模型不仅具有每周期耗散能量与外激励频率无关的优点, 还保证了结构位移时程的稳定收敛. 混合结构由具有不同阻尼特性的材料组成, 其阻尼矩阵为非比例矩阵, 无法直接采用实模态叠加法. 根据频率相关黏性阻尼模型与复阻尼模型的转换关系, 提出了适用于混合结构的基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法. 算例分析结果表明, 与基于黏性阻尼模型的复模态叠加法相比, 基于频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法不仅计算结果唯一, 且不增加矩阵维度, 具有较高的计算效率. 小阻尼情况下, 两种方法的计算结果近似相等, 且与复阻尼模型的频域计算结果一致. 当阻尼比较大时, 两种方法的计算结果差异增大, 但频率相关黏性阻尼模型的复模态叠加法与复阻尼模型的频域计算结果仍保持一致.      

平面波输入下海水−海床−结构动力相互作用分析

海洋工程结构的地震反应分析是保证海洋工程结构地震安全的重要环节.由于其所处的复杂环境,该问题涉及到流固耦合和土-结相互作用.本文基于海水、饱和海床、基岩流固耦合统一计算框架,采用Davidenkov模型和修正的Masing准则考虑饱和海床的非线性,在脉冲SV波垂直入射下,进行了海域场地和海洋工程结构的动力响应分析.首先,对比分析了线性自由场和非线性自由场输入情形的海域场地非线性反应,结果表明线性自由场输入时反应不合理,自由场分析和场地分析应该采用相一致的本构模型.然后,对比分析了海床分别为线性和非线性情形时,海域场地以及海水-海床-结构体系的反应特征.与线性海床情形相比,非线性对海床反应的影响主要由如下两方面因素控制:一方面,非线性导致饱和海床模量减小,饱和海床与基岩间的波阻抗比减小,由基岩到饱和海床间的反射系数和透射系数增加,导致反应增大;另一方面,非线性导致阻尼加大,使海床反应减小.对于本文算例而言,阻尼对非线性海床结果的影响占主导作用.     

平面波输入下海水-海床-结构动力相互作用分析

海洋工程结构的地震反应分析是保证海洋工程结构地震安全的重要环节.由于其所处的复杂环境, 该问题涉及到流固耦合和土-结相互作用.本文基于海水、饱和海床、基岩流固耦合统一计算框架,采用Davidenkov模型和修正的Masing准则考虑饱和海床的非线性,在脉冲SV波垂直入射下, 进行了海域场地和海洋工程结构的动力响应分析. 首先,对比分析了线性自由场和非线性自由场输入情形的海域场地非线性反应,结果表明线性自由场输入时反应不合理,自由场分析和场地分析应该采用相一致的本构模型. 然后,对比分析了海床分别为线性和非线性情形时,海域场地以及海水-海床-结构体系的反应特征. 与线性海床情形相比,非线性对海床反应的影响主要由如下两方面因素控制: 一方面,非线性导致饱和海床模量减小, 饱和海床与基岩间的波阻抗比减小,由基岩到饱和海床间的反射系数和透射系数增加, 导致反应增大; 另一方面,非线性导致阻尼加大, 使海床反应减小. 对于本文算例而言,阻尼对非线性海床结果的影响占主导作用.      

地铁引发地面振动分析中阻尼矩阵构成模式的探讨

以某地铁区间线路为例,建立二维有限元分析模型,通过数值计算,分析了瑞利阻尼和柯西阻尼两种阻尼矩阵构成模式对地铁引发地面振动响应计算结果的影响,并与采用滞后阻尼假定的频域解进行了比较,讨论并提出了不同阻尼矩阵构成模式在地铁引发地面振动分析中的适用范围及有效性.数值结果表明:在地铁振动分析中,应选择结构基频和荷载卓越频率作为控制频率来确定阻尼瑞利矩阵.与瑞利阻尼模型相比,应用柯西阻尼模型能达到较好的计算精度,但会增大动力分析的计算量.     

求解Rayleigh阻尼系数的加权最小二乘法

在地震反应分析过程中,提出了一种优化方法以解决Rayleigh阻尼系数计算时选择两阶合理参考频率的难题。该方法是以反应谱理论为基础,以结构位移峰值误差最小为目标函数。将位移反应谱用一阶Taylor级数近似计算,从而将目标函数简化为加权最小二乘法的方程。随后以框架结构为例,讨论了模态个数和阻尼比模型对Rayleigh阻尼系数计算的影响,并与传统方法、最小二乘法及基于多参考振型的加权最小二乘法进行比较。计算结果表明,最小二乘法由于忽略了模态贡献的影响,不是计算Rayleigh阻尼系数的合理方法。当模态个数所包含的累积振型参与质量达90%以上,本文方法所得Rayleigh阻尼系数计算结果稳定,结构动力反应的计算精度高。     

高层建筑风振时地基土材料阻尼比取值范围的初探

高层建筑风振响应分析中考虑土与结构相互作用后地基土的材料阻尼比幅值是多少,这是考虑土与结构相互作用对高层建筑结构风振响应有利还是不利的关键问题.通过对无桩基桩架-剪力墙结构的顺风向风振响应分析,发现考虑土-结构相互作用时结构基础底面土体的动剪应变幅值处于弹性应变范围,根据土动力学中土的动剪应变与土的阻尼比的关系,土体的材料阻尼比较小,其值不超过0.03,据此计算出相应的结构最大层间位移和结构顶层的最大加速度比将地基视为刚性的结构有较大增长;因此,在高层结构风振响应分析中应考虑土-结构相互作用的影响.文章通过实例分析给出无桩基高层建筑土体材料阻尼比的建议值,该研究为有桩基高层建筑的土体材料阻尼比的计算提供了借鉴.     

基于模态叠加法的航空发动机轮盘振动特性研究

以某型航空发动机轮盘为研究对象,分别通过数值模拟和试验测试获得结构特定振型下的模态参数;提出采用模态置信度开展模态振型的相关度评价;基于模态叠加法开展轮盘结构谐响应分析,并通过理论推导和数值仿真开展结构阻尼和激励量值对振动响应的影响规律研究。结果表明,在轮盘结构三节径振型处,共振频率计算结果与测试结果相差1.7%,验证了模态测试的正确性。模态振型置信度为0.999,说明模态测试与仿真结果吻合较好。通过谐响应分析得到轮盘最危险点的幅频曲线,并基于数值仿真验证了轮盘结构振动响应幅值与模态阻尼呈反比、与激励量值呈正比的理论推导的正确性。     

非比例阻尼体系等效Rayleigh阻尼模型时域计算方法

Rayleigh阻尼模型具有数学简易性的优点，应用广泛，其阻尼矩阵构造依赖于结构模态阻尼比。结构阻尼(复阻尼)模型的阻尼矩阵直接由材料损耗因子和刚度矩阵决定，在非比例阻尼体系中具有阻尼矩阵便于构造的优点，但存在时域计算结果发散、初值条件不易确定和频响函数非因果等缺陷。本研究结合两种阻尼模型的优点，分别依据阻尼衰减和阻尼耗能，提出了与结构阻尼模型等效的Rayleigh阻尼模型。算例分析结果表明：等效Rayleigh阻尼模型克服了结构阻尼模型的缺陷，同时保留了非比例阻尼体系中阻尼矩阵易构造的优点；与基于阻尼衰减等效的Rayleigh阻尼模型相比，基于阻尼耗能等效的Rayleigh阻尼模型计算结果近似相等，但避免了复模态分析，且计算过程直观简单。     

考虑土体三维波动效应时弹性支承桩的振动理论及其应用

从三维轴对称土体模型出发,同时考虑土体竖向和径向位移,对弹性支承桩在垂直谐和激振力作用下与土的耦合振动特性进行了分析。假定桩为竖直弹性等截面体,土为线性粘弹性体,其材料阻尼为滞回阻尼。首先通过引入势函数对土体位移进行分解,从而将土体动力平衡方程解耦,求解得到了土层的振动模态形式,然后利用桩土接触面上力平衡和位移连续条件来考虑桩土耦合作用,求解桩的动力平衡方程,得到了桩顶的频域响应解析解、复刚度和速度导纳,利用卷积定理和傅立叶逆变换,求得了半正弦脉冲激振力作用下桩顶速度时域响应半解析解。利用所得解对桩的振动特性进行了无量纲参数分析,得到了许多新的结论。     

复模态理论在近海平台中的应用

运用复模态理论对考虑海洋平台结构与流体相互作用而引起的非经典阻尼问题进行了理论分析。水中耦合阻尼矩阵运用复模态解法，可以不必近似对角化。推导了随机波浪荷载作用下结构各种反应的能量谱密度函数及结构反应的统计特性，得到了结构反应的均方差和峰值的表达式。针对某典型平台在随机波浪荷载作用下动力反应用复模态法进行了计算并与运用实模态方法多重叠代方法的结果进行了比较。     

土-结构相互作用体系合成模态阻尼比的振动台模型试验研究

本文籍振动台模型试验。研究了SSI体系的合成模态阻尼比问题。文中首先阐明了在SSI体系直接动力分析中应采用合成模态阻尼比的观点。研究了合成模态阻尼纟的实测确定方法。并在不同工况下，通过对模型不同部位测点的传递函数，基本频率，基本合成模态阻尼比等实测数据考虑，验证了SSI体系合成模态的存在性，合成模态阻尼比与相同应变下不考虑相互作用的单纯地基土体或刚性地基结构阻尼比的差异性及其在递增动力作用下的变化规律。     

阻尼耗能减振框架结构地震作用振动方程求解及地震反应分析Calculation of vibration equation and analysis of seismic response for damping energy dissipation frame structure

研究了设置耗能阻尼器框架的地震作用振动方程求解及该结构的地震反应。框架结构设置耗能阻尼器后,振动方程的阻尼矩阵不再对振型具有正交性,本文对该振动方程给出了状态方程直接积分法,并与传统强制解耦法进行了比较分析,结果表明强制解耦法对结构第一阶振动反应求解偏差较小,而对于高阶振动反应差别较大,并且强制解耦法高估了阻尼器的减震效果。继而采用状态方程直接积分法对设置有粘滞阻尼器的框架结构进行了地震反应分析,探讨了阻尼器位置对框架结构地震反应的影响,结果表明设置有阻尼器的楼层减振效果明显,未设置阻尼器的楼层减振效果差别较大,甚至有可能出现楼层层间侧移增大的现象,由此提出耗能阻尼器应在结构中合理设置。     

Elastic responses of underground circular arches considering dynamic soil-structure interaction: A theoretical analysis

Due to the wide applications of arches in underground protective structures, dynamic analysis of circu- lar arches including soil-structure interactions is important. In this paper, an exact solution of the forced vibration of circular arches subjected to subsurface denotation forces is obtained. The dynamic soil-structure interaction is considered with the introduction of an interfacial damping between the structure element and the surrounding soil into the equation of motion. By neglecting the influences of shear, rotary inertia and tangential forces and assuming the arch incompressible, the equations of motion of the buried arches were set up. Analytical solutions of the dynamic responses of theprotective arches were deduced by means of modal superposition. Arches with different opening angles, acoustic impedances and rise-span ratios were analyzed to discuss their influences on an arch. The theoretical analysis suggests blast loads for elastic designs and predicts the potential failure modes for buried protective arches.     

加权最小二乘法求解Rayleigh阻尼系数的讨论

合理确定Rayleigh阻尼矩阵比例系数对于准确计算场地地震响应有重要影响。本文提出以H2iH′2iA2i为权重系数,采用加权最小二乘法求解Rayleigh阻尼矩阵比例系数,以提高土层地震反应时程分析的计算精度。以上海某处地质剖面建立深覆盖土层有限元模型,计算其在28条各具代表性的基岩场地地震波激励下的动力反应,与其他研究成果对比分析,验证本文方法的精度及适用性。     

地形和土-结相互作用效应对三维跨峡谷 桥梁地震响应的影响分析

评估跨峡谷桥梁的地震性态需要考虑地形效应、行波效应以及土-结相互作用效应.将峡谷-桥梁系统在地震波输入下的反应分析看作波动散射问题,即桥梁及其邻近非规则区域对峡谷场地"自由场"的扰动. 基于此思想,本文发展了一套跨峡谷桥梁地震反应分析方法,通过二维模型分析得到峡谷场地的"自由场", 结合人工边界输入到峡谷-桥梁体系,采用土-结相互作用分区并行方法对其进行分析, 并编制了相应的分析程序.该方法可在自由场分析时考虑非垂直入射地震波, 计入行波效应,因此可综合考虑行波效应、地形效应和土-结相互作用效应. 通过峡谷场地分析算例,验证了自由场和人工边界实施的正确性; 并以马水河大桥为对象,通过5种计算模型结果的比较,分析了地形效应和土-结相互作用效应对跨峡谷桥梁地震反应的影响, 算例结果表明,地形效应对墩底剪力、弯矩和轴力有明显影响,对位移的影响要比对剪力、弯矩的影响小; 土-结相互作用对桥梁反应的影响较大,较大地减小了桥梁反应.      

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%。     

混联Ⅰ型惯容系统基于李鸿晶谱的地震响应分析

针对设有混联Ⅰ型惯容系统的耗能结构基于李鸿晶谱的响应分析较为繁琐的问题,提出求解地震响应的简明封闭解法,并研究了惯容系统基本参数对减震性能的影响。首先,建立惯容系统和结构之间的微分型本构关系,并运用复模态法和虚拟激励法获得结构系列响应的统一解。其次,将结构系列响应的功率谱密度函数精确转化为复特征值及结构自振频率平方和表示的二次分解式,进而获得响应0阶～2阶谱矩的简明封闭解。最后,通过数值算例验证了所提方法的正确性及计算的高效性,对惯容系统参数的研究表明,当惯容系数和阻尼系数越大,结构减震效果越好,而刚度系数对结构的减震效果取决于惯容系统名义圆频率与结构自振圆频率的比值,当两者比值为0.9时减震效果最好。