粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的随机响应特性

利用积分型本构关系,针对带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器单自由度耗能结构,建立了微分和积分混合地震响应方程;基于随机平均分析法,推导出耗能结构振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差、振幅动力可靠性、振幅首超时间任意阶统计矩的一般解析解;给出了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器耗能结构上述各种随机响应特性,从而建立了带支撑任意线性粘滞和粘弹性阻尼器单自由度减震结构的各种随机响应特性分析的统一解析解法。     

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.      

带支撑Maxwell阻尼器耗能隔震结构的随机风振响应分析

对设置带支撑Maxwell阻尼器的高层耗能隔震结构的随机风振响应进行了研究。建立结构运动方程,基于传递函数法及随机振动理论,获得结构基于Davenport谱激励下位移和阻尼器受力响应方差,并将其分解为系列标准振子的线性组合,得到结构随机风振响应的解析表达式、阻尼器受力的随机响应、等效风荷载取值,从而建立了带支撑Maxwell阻尼器高层耗能隔震结构的随机风振响应解析分析方法。算例分析表明:支撑刚度对阻尼器的减震效果有着较大的影响,以上部结构风振位移响应为例,阻尼器的支撑刚度为1倍隔震层刚度比支撑刚度为0.001倍隔震层刚度的位移响应减小了30%左右。所获得的解析解对耗能隔震结构的设计和阻尼器的参数优化设计具有重要的意义。     

多自由度Maxwell阻尼器减震结构(Ⅰ)——随机响应特性

对多自由度带支撑Maxwell粘滞阻尼器减震结构的随机响应特性进行了系统研究。建立了结构一般运动方程;将运动方程按原结构振型展开,将运动方程化为振型广义坐标的微分和积分混合地震响应方程组;基于多自由度随机平均法理论,获得了结构随机平均It方程组的解析式,推导出耗能结构各振型振子的振幅与相位瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态联合概率密度函数、位移与速度瞬态响应方差的一般解析解;根据SRSS组合方法,给出了耗能结构随机地震响应方差的一般解析式,从而建立了此类耗能结构随机响应特性分析的完备解析解法。     

多自由度Maxwell阻尼器减震结构(Ⅱ)——等效阻尼

对多自由度带支撑Maxwell阻尼器减震结构的等效阻尼比进行了系统研究。构建了耗能结构一般微分和积分混合地震响应方程组;基于与多自由度随机平均法分析完全相同的等效准则,建立了耗能结构各振型等效阻尼比的一般解析计算式。与一些典型问题的模态应变能法的计算精度进行对比分析,结果显示:本文方法的计算结果在特定条件下与精确解完全相同;在一个二自由度系统中相对位移响应方差的误差分别为0.99%和0.45%,优于应变能法的8%和5.4%,表明了本文方法的有效性。从而为建立此类耗能结构等效阻尼分析的完备解析解法、直接应用反应谱法进行实际工程设计提供了依据。     

多层隔震结构地震作用取值的解析分析法

为建立多层隔震结构等效静态抗震设计法,对该结构基于规范反应谱的最大地震效应及其等效静态地震作用取值的解析分析法进行了系统研究。首先运用实振子解耦法,将非对称非经典隔震结构响应精确分解为系列标准振子位移与速度响应的线性组合;继而根据随机振动频域法和响应方差与最大响应平方成正比的性质,将结构位移的响应方差及最大响应平方精确分解为系列标准振子位移与速度响应方差及反应谱平方的线性组合,精确获得了隔震结构基于规范加速度谱的最大地震效应;最后基于静态效应与最大动态效应的等效准则,给出了基于最大位移响应的等效地震作用的新定义及其取值的解析计算法,使新定义的地震作用精确满足等效准则,并通过算例,验证了所提出方法的正确性。所建立的方法基于响应精确解耦和方差精确分解以及等效准则精确满足,属精确解析法,具有一般性,较基于响应近似解耦和方差近似分解以及等效准则近似满足的现有地震作用(即最大惯性力)计算方法更科学合理。     

粘滞和粘弹性阻尼器减震结构的等效阻尼

利用积分型本构关系,建立了带支撑的一般粘滞和粘弹性阻尼器单自由度耗能结构的微分-积分混合地震响应方程;基于与随机平均分析完全相同的等效准则,推导了可直接应用反应谱的阻尼器的等效刚度和等效阻尼的解析公式;得到了带支撑广义Maxwell阻尼器和广义微分模型阻尼器的等效刚度和等效阻尼的一般结果。通过与一些典型问题的数值计算结果比较,表明了所提方法的有效性。     

设置连接阻尼器的相邻结构随机地震动响应的简明封闭解

针对两相邻结构间设置连接阻尼器对结构的减震影响问题,研究了基于Kanai-Tajimi谱地震动激励下的Kelvin型粘弹性阻尼器与相邻结构形成的组合体系的随机地震动系列响应(绝对位移及层间位移)的简明封闭解。首先,利用Kelvin型粘弹性阻尼器本构关系及Kanai-Tajimi谱的滤波方程,将组合体系基于复杂地震动激励精确转化为基于简明白噪声激励的运动方程;其次,利用复模态法获得了组合结构相对于地面的绝对位移、层间位移等系列响应方差及0阶~2阶谱矩的统一简明封闭解。最后,通过算例及与虚拟激励法进行对比,证明本文方法的正确性和简明性;通过与未设置阻尼装置结构体系的动力响应对比,说明了阻尼装置对相邻结构具有良好的减震效果,但局部楼层的层间位移及层间剪力会有所增加。     

粘滞阻尼器减震结构非线性随机振动的时域显式降维迭代随机模拟法

粘滞阻尼器在大型复杂结构减震设计中应用广泛。由于粘滞阻尼器的非线性阻尼力特性,粘滞阻尼器减震结构非平稳随机地震反应分析是一个典型的局部非线性随机振动问题。利用减震结构动力响应时域显式表达式的降维列式优势,仅针对与粘滞阻尼器相关的局部自由度进行非线性迭代计算,提出了局部非线性随机振动问题的时域显式降维迭代随机模拟法,为设置粘滞阻尼器的大型复杂减震结构非线性地震反应分析提供一种高效的随机振动方法。以安装了四个纵桥向粘滞阻尼器的某主跨1200m悬索桥为工程实例,开展E2水准地震激励下的非线性随机振动分析。计算结果显示,设置阻尼器后,主梁的纵桥向位移得到明显控制,降幅达到80%,大桥的关键截面内力也有5%左右的降幅。     

带支撑粘弹性阻尼器耗能框架结构随机振动分析

对带支撑粘弹性阻尼器的框架结构减震性能进行了分析.首先分析了粘弹性阻尼器松弛时间系数η和支撑系数ψ等对粘弹性阻尼器复合刚度的影响,在此基础上,采用随机振动理论对设置带支撑粘弹性阻尼器框架结构的振动方程进行求解,研究了改进Kanai-Tajimi功率谱地震激励作用下框架结构层间位移角均方差、结构顶部楼层位移均方差和结构各楼层地震作用均方差等.算例分析表明,阻尼器支撑系数ψ宜根据松弛时间系数η合理取值,只要支撑系数ψ取值足够大,就可忽略支撑对粘弹性阻尼器减震性能的影响,并且阻尼器松弛时间系数η也不宜过大.分析还表明,设置粘弹性阻尼器框架结构各楼层地震作用明显低于无阻尼器框架结构相应值.     

基于等效线性化法的弱非线性体系下的地震响应分析

对弱非线性单自由度非自由振动系统结构在白噪声地震激励下的随机响应问题进行了研究。首先,建立了结构的弱非线性响应方程;然后根据能量平衡原理对运动方程进行了等效线性化;最后获得了金井清谱(Kanai-Tajimi谱)下等效线性化方程的位移响应及速度响应的方差,将弱非线性随机响应问题简化为求解线性随机响应问题,并给出了算例验证。结果表明,该方法可以准确得到弱非线性随机响应问题的解。同时,建立了单自由度结构弱非线性随机响应频域分析的统一解析解法。     

单自由度"加层"减震结构地震作用取值的复模态法

运用复模态方法,以我国现行设计反应谱为基础,对单自由度TMD和“加层”减震结构地震响应及地震作用取值问题进行了系统研究。首先用复模态法将非经典阻尼非对称结构运动方程解耦,然后运用随机振动理论获得结构的动力响应解析式,并建立将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系与反应谱的对应关系,确定结构动力响应表达式中各参数的取值,建立结构基于反应谱的设计响应及其等效静态地震作用的设计方法,并给出了算例,从而建立了非经典阻尼非对称结构基于反应谱的地震作用取值的一整套方法。     

带TLD结构基于Davenport谱随机风振响应分析和风荷载取值的复模态法

对带TLD控制系统的高层建筑随机风振响应和等效静态设计风载取值问题进行了系统研究。针对主体结构用第一振型展开所得方程为非经典阻尼和非对称结构运动方程,用复模态理论解耦,并利用随机振动理论获得结构风振响应解析式,建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系随机风振响应的解析解,获得了带TLD结构基于现行规范Davenport谱随机风振响应和等效静态设计风载的解析解,并给出算例,从而建立了非经典阻尼非对称被动控制结构基于Davenport谱随机风振响应和风载取值的一般解析方法。由于获得解析解,故本文方法可用于带TMD、TLD等结构基于动力可靠度约束的抗风优化设计。此外,由于建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,利用等效单自由度体系与抗震反应谱的关系,本文方法还可用于非经典阻尼非对称被动控制结构基于抗震反应谱的地震作用取值。     

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%。     

设置粘弹性阻尼耗能框架结构减震性能分析

研究粘弹性阻尼器对框架结构的减震性能,分析该阻尼器的阻尼参数对框架结构地震反应的影响,给出设置阻尼器后结构地震作用的计算方法。对设置粘弹性阻尼器框架结构振动方程进行傅里叶变换,求解该振动方程的频域解,再通过傅里叶逆变换得出该方程的时域解,由此研究阻尼器的阻尼系数C_d和松弛时间系数η等对结构地震响应的影响。在此基础上,提出粘弹性阻尼器的阻尼系数在各楼层经济分布的实用计算公式,并对设置粘弹性阻尼器框架结构地震作用给出计算方法,分析结构各楼层的地震作用及结构各振型的底部剪力。研究表明,设置于框架结构的粘弹性阻尼器宜控制其松弛时间系数η≤0.5～0.7。     

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。     

基于路径积分法的悬索非线性随机振动响应分析

随机荷载激励下悬索过大的动力响应将影响其正常使用与安全,对其响应概率密度函数的求解与分析是评估悬索随机动力响应的重要途径之一。针对悬索在高斯白噪声激励下的随机振动模态响应,利用基于Gauss-Legendre积分和短时高斯转移概率密度假定的路径积分法,研究了模态振动响应的概率密度函数的平稳数值解与非平稳数值解,并进一步开展了参数研究,揭示了不同参数影响下概率密度函数的分布规律。将路径积分法所得的平稳解和非平稳解,分别与FPK方程的精确平稳解、等效线性化法所得平稳解及蒙特卡罗模拟非平稳解进行对比,结果表明,路径积分法所得的概率密度函数解分别与精确平稳解及蒙特卡罗模拟非平稳解符合良好。对于平稳响应,由于位移二次非线性项的存在,位移概率密度函数分布呈非对称分布形式,但速度概率密度函数并不受其影响,仍服从对称分布;非平稳响应概率密度函数初始时刻峰值较大,且在初始阶段峰值是随着时间不断变化的,波动较明显,随着时间推移逐渐平稳。研究结果对于悬索非平稳响应研究具有重要的工程意义。     

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。     

非均匀调制随机激励下系统的非平稳响应分析

基于时域复模态分析，提出一种非均匀调制随机激励下系统非平稳响应特性的解析解法，用Ｎｉｉｇａｔａ地震激励模型作了说明．算例与仿真结果吻合良好．     

高速铁路大跨度连续钢桁梁柔性拱桥减震研究

在1联(3×168)m连续钢桁梁柔性拱桥设置纵向粘滞阻尼器,采用非线性时程分析方法研究其减震效果。从减小拱脚轴力、墩底内力、墩梁纵向相对位移三方面出发,讨论了粘滞阻尼器各参数对结构地震响应的影响,并与未设置粘滞阻尼器情况下的地震响应进行对比。初选了减震效果较好的阻尼系数C和速度指数ζ,继而在全桥(两联3×168m连续钢桁梁柔性拱)布置该参数的粘滞阻尼器并分析其减震效果。结果表明:固定墩顶的拱脚轴力值在纵向布置粘滞阻尼器后显著减小,而位于活动墩顶的拱脚轴力值个别存在增大情况,且当ζ一定时,C越大减震效果越明显;活动墩顶的墩梁纵向相对位移随ζ的减小和C的增大而减小;以1联连续钢桁梁柔性拱桥为研究对象,所选定的阻尼器在全桥布置后,全桥地震响应的最大正减震率为76.5%,最大负减震率为-21.40%;尽管全桥布置阻尼器后某些位置出现了负减震率,但其地震响应仍然全桥最小;通过对两侧简支钢桁梁粘滞阻尼器的参数优化后,个别位置的地震响应进一步减小,从而提高了全桥的抗震性能。