用虚拟激励法求解非比例阻尼线性体系的非平稳随机地震响应

应用复振型分解方法,将非比例阻尼线性体系在地震作用下的动力方程求解问题转化为若干个广义复振子的求解与叠加问题。通过假定地震地面运动为一零均值的非平稳随机激励,应用虚拟激励法原理,推导得到了广义复振子动力坐标计算的一般公式,进而得到了非比例阻尼线性体系非平稳随机地震响应计算的一般解答。由于可以选择少量共轭复振型的影响进行计算,对于大型复杂非比例阻尼结构,其随机地震响应计算工作量可以大幅度减小。算例证实了这种方法的可靠性及可行性。     

非比例阻尼线性体系平稳随机地震响应计算的虚拟激励法

应用复振型分解方法,将非比例阻尼线性体系在地震作用下的动力方程求解问题转化为若干个广义复振子的求解与叠加问题。通过假定地震地面运动为一零均值的平稳随机激励,应用虚拟激励法原理,推导得到了广义复振子动力坐标的解析计算公式,进而得到了以复振型为基础的非比例阻尼线性体系随机地震响应计算的一般实数解析解答。算例证实了这种方法的可靠性及高效率。     

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。     

串联电气设备支架隔震体系地震响应半解析法

通过并联橡胶隔震支座,建立串联高架电气设备支架隔震体系及力学模型,应用分布参数梁振动理论, 通过边界条件引入集中参数,推导其频率方程,并用数值方法求得频率及振型. 应用Betti定律,推导具有集中分布参数柔性节点的多节电瓷型高压电气设备的正交条件,得到广义质量及广义载荷. 将该串联隔震体系的非比例阻尼分解为比例阻尼部分和非比例阻尼部分,应用Hamilton原理推导出非比例阻尼部分等效振型阻尼比,实现串联电气设备支架隔震体系振动方程的解耦,然后通过振型叠加法求得结构的地震响应. 最后应用该半解析法与有限元数值积分法对一330kV电压互感器地震响应进行分析. 结果表明:该隔震体系能显著减小电气设备的地震响应,同时该半解析法求解的地震响应与有限元数值积分求解的结果相一致,说明该隔震体系的有效性与该半解析方法求解非比例阻尼串联电气设备支架隔震体系地震响应的正确性.      

大型非比例阻尼线性系统的地震反应复振型分析方法

对于大型非比例阻尼线性系统,当采用基于复振型的振型叠加方法进行动力反应分析时,按照通用算法(例如雅克比法)求解结构全部振型向量的计算工作量很大,甚至是不现实的.本文将经典阻尼系统中行之有效的Lanczos法和子空同迭代法加以推广和改进,给出了一组可对原来的方程进行自由度缩减的实向量基,然后与Foss变换相结合,得到一组实用的复向量基,使之适用于求解复杂非比例阻尼线性系统的任意低阶复振型和相应的复特征值,适用于任意扰力作用下的动力反应分析.理论推导和实例计算表明,本文所给出的复向量基概念清晰,计算效率高,能够适应对具有非比例阻尼特性的大型复杂结构进行动力分析的实际需要,其中包括地震作用下的时程分析和反应谱振型叠加分析.     

具有重频特性系统的动力响应分析

一般有阻尼线性系统出现重特征值时,基于振型正交性的复振型分解法将不再适用.本文综合运用高等数学、线性代数和复变函数理论,对具有重频特性的一般有阻尼线性多自由度系统给出了系统动力响应在时域中的计算方法.该方法充分利用复振型分解法和留数矩阵解耦法的优点,不仅概念清晰,而且易于理解和掌握,适合于大型复杂系统的动力响应分析.此外,本文给出了双自由度体系产生重特征值的条件,对典型实例进行了地震响应分析,并通过与Newmark-β法计算结果的对比,论证了文中所给计算公式的正确性.本文提出的分析方法具有普适性,对线性结构、机电和控制系统也都是适用的.     

一种计算非比例阻尼结构地震响应的新方法

在非比例阻尼结构地震响应分析中, 直接积分法和强迫解耦法均具有鲜明的优缺点, 考虑到计算精度和计算效率的均衡, 提出了一种可用于非比例阻尼结构地震响应计算的新方法---多自由度模态方程方法. 同时, 通过推导指出了直接积分法和强迫解耦法是所提出方法的两种特殊形式, 从而构建了非比例阻尼结构地震响应计算方法的完整理论体系. 最后采用数值算例验证了多自由度模态方程方法在非比例阻尼结构地震响应计算中的有效性, 并说明其可以通过合理划分结构分区来调节计算精度和计算效率.      

设置支撑的广义Maxwell阻尼器系统基于非平稳巴斯金谱的地震响应分析

对设置支撑的广义Maxwell阻尼器单自由度减震系统非平稳随机地震响应问题进行了系统的研究。首先,建立设置支撑广义Maxwell阻尼器的等效本构关系,将设置支撑广义Maxwell阻尼器转化为不带支撑的等效阻尼器;然后,采用传递函数法,直接在耗能结构原始空间上,获得减震系统在非零初始条件和任意激励下结构整体系统(含支撑和阻尼器的位移、速度以及受力,结构位移与速度)的时域瞬态响应精确解;最后,针对2种经典均匀调制四参数巴斯金谱地震激励,获得了减震系统的结构整体系统非平稳响应解析解。所获得的结构系统时域瞬态响应精确解和非平稳地震响应解析解,可为结构系统各构件建立抗震反应谱设计法和动力可靠度提供分析路径。     

Matlab编程实现求解基于振型叠加法的多自由度动力学系统的时域和频域响应

给出了求解多自由度动力学系统响应的M atlab程序,这些程序基于振型叠加法可用于求解由质量矩阵M和刚度矩阵K以及常见阻尼矩阵描述的线性离散系统的时域和频域解.对于无阻尼系统,用户可以选择数值解或符号解析解(以时间或频率表示),并利用复模态叠加法计算了阻尼系统的数值解.总结了模态叠加方法下动力学响应的求解,并在简短的M atlab程序中实现.以三自由度系统和悬臂梁模型为例说明了程序的应用.这些程序也可用于工程应用中,通过对商用有限元软件包产生的质量和刚度进行后处理,产生感兴趣的时域和频域响应.     

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。     

结构地震反应分析的逐步微分积分方法

将结构地震时程反应分析问题离散化为一系列初值问题的求解, 在每个离散时步内应用微分积分(DQ)法则, 建立了一种结构地震反应的逐步DQ数值求解方法. 根据地震地面运动及结构体系的动态特征和物理本质, 假定离散时步内地面加速度为线性分布. 推导并给出了该分布模式假定下利用DQ法逐步求解体系地震反应的数值格式, 通过一个双自由度体系的数值实验阐述了结构地震反应DQ分析方法的应用. 算例表明, 体系地震反应DQ解的稳定性和精度比较好, 在较大的离散步距条件下仍然可以获得较好的计算结果.      

单自由度体系地震动力响应的混沌特性分析

引入非线性动力学理论和混沌时间序列分析方法考察地震动作用下单自由度体系动力响应的混沌特性。输入典型近断层地震动记录,定量计算了代表性周期的单自由度弹性和非弹性体系加速度响应时程的非线性特性参数。计算表明,这些加速度响应的关联维数为分数维,最大Lyapunov指数大于0;地震动激励下单自由度体系的地震动力响应具有混沌特性,不是完全的随机信号,为理解结构地震动力响应的不规则性与复杂性提供了新思路和新视角。     

大跨度结构抗震分析方法及近期进展

对反应谱方法、随机振动方法和时间历程法应用于大跨度结构抗震分析时的特点作了分析和对比。研究表明,地震地面运动的空间变化效应(特别是行波效应)对大跨度结构的响应有相当大的影响。反应谱方法对多点激励地震分析显得相当困难,而随机振动方法则有明显的优越性。对于强震作用下的大跨度结构非线性地震响应,时间历程法在现阶段仍应是主要的分析方法。      

地铁抗震设防水准的研究及北京地铁工程典型地段地震小区划

地铁作为人口密集且遭受地震破坏后难以修复的重要生命线工程,如何确保其地震安全具有越来越重要的意义。本文将以北京具有典型意义的地铁线路———北京地铁五号线作为研究目标,在对沿线地震、地质条件分析的基础上,通过分析研究在不同场地条件、不同风险水平和不同深度条件下的地震动参数和反应谱变化规律,确定了地铁工程的抗震设防概率风险水平为50 a超越概率63%、10%、2%,设计地震动参数取地表计算值。并通过北京地铁五号线工程地震小区划及分区反应谱特征研究,确定北京地铁五号线工程的抗震设防要求。     

基于相位差谱的空间相关非平稳地震动场的模拟

地震动的非平稳特性主要是由其相位差谱决定的,相位差谱与相位导数之间存在线性倍数关系。根据相位导数的显式计算公式,从能量的角度解释了相位导数的均值大致决定了时程峰值的发生时刻,相位导数的方差决定了强震段的持续时间。在相关地震动场模拟方法中,首次将相位差谱的统计模型引入空间相关非平稳地震动场的模拟方法之中,利用快速傅立叶变换技术生成地震动场。表示地震动随机特性的随机相位谱利用相位差谱的统计模型生成,生成的地震动场不仅具有空间相关性,而且在时域、频域内均具有非平稳特性。     

地基水平运动时高桥墩的动力屈曲

考虑大变形的影响,建立了高桥墩在地震波冲击下引起的地基水平运动时的非线性动力学基本方程式;通过位移形函数假设,采用伽辽金积分方法得到了时间变率的动力学控制方程;对时间变率的非线性微分方程进行数值求解,给出了同一地震波不同强度下高桥墩的位移响应曲线以及从产生横向振动到失稳的全过程;得到了地震波冲击时高桥墩失稳的临界地震加速度acr和失稳时刻。通过数值算例比较了地震波幅值、高桥墩柔度、桥面质量大小对位移幅值响应、临界地震加速度、失稳时刻等参数的影响。算例表明当发生7.5级以上地震时,桥墩会有较大程度的破坏。     

Comparison of near- and far-fault ground motion effect on the nonlinear response of dam–reservoir–foundation systems

In this paper, it is aimed to compare the near- and far-fault ground motion effects on the nonlinear dynamic response of dams including dam–reservoir–foundation interaction. Two different types of dams, which are concrete arch and concrete faced rockfill dams, are selected to investigate the near- and far-fault ground motion effects on the dam responses. The behavior of reservoir water is taken into account using Lagrangian approach. The Drucker–Prager material model is employed in nonlinear analyses. Near and far-fault strong ground motion records, which have approximately identical peak ground accelerations, of Loma Prieta (1989) earthquake are selected for the analyses. Displacements, maximum and minimum principal stresses are determined using the finite element method. The displacements and principal stresses obtained from the analyses of dams subjected to each fault effect are compared with each other. It is clearly seen that there is more seismic demand on displacements and stresses when the dam is subjected to near-fault ground motion.     

非平稳地震动的双调制模型研究

地震动是工程结构地震反应研究与抗震设计的基础,要分析工程系统的性能,必须要把地震动作为随机过程来建立可靠的模型。本文通过对非平稳过程演变谱的研究,给出双调制函数,建立了双调制非平稳地震地面运动模型。结合双调制函数和三角级数法生成人工地震波,通过对人工波频率和强度的非平稳性研究验证了双调制模型的有效性。同时本文给出了双调制非平稳地震激励的结构响应虚拟激励算法,得到响应的时变功率谱。分析表明,该模型具有明确的物理意义,且更符合实际,为结构抗震可靠性分析提供了一种较好的地震动模型。     

Fragility analysis of bridges under ground motion with spatial variation

Seismic ground motion can vary significantly over distances comparable to the length of a majority of highway bridges on multiple supports. This paper presents results of fragility analysis of highway bridges under ground motion with spatial variation. Ground motion time histories are artificially generated with different amplitudes, phases, as well as frequency contents at different support locations. Monte Carlo simulation is performed to study dynamic responses of an example multi-span bridge under these ground motions. The effect of spatial variation on the seismic response is systematically examined and the resulting fragility curves are compared with those under identical support ground motion. This study shows that ductility demands for the bridge columns can be underestimated if the bridge is analyzed using identical support ground motions rather than differential support ground motions. Fragility curves are developed as functions of different measures of ground motion intensity including peak ground acceleration, peak ground velocity, spectral acceleration, spectral velocity and spectral intensity. This study represents a first attempt to develop fragility curves under spatially varying ground motion and provides information useful for improvement of the current seismic design codes so as to account for the effects of spatial variation in the seismic design of long-span bridges.     

基于显式有限元方法的两相多孔介质地震反应研究

基于流体饱和两相多孔介质的弹性波动方程组,运用显式逐步积分格式与局部透射人工边界相结合的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,对两相多孔介质在输入地震波作用下的弹性动力反应进行了计算和分析,以揭示两相多孔介质弹性地震反应的规律和性质.计算结果表明:两相介质弹性地震反应时程的波形与入射地震波的波形相同,且弹性地震反应的峰值出现的时刻对应于入射地震波的峰值出现的时刻.本文的数值计算同时表明了时域显式有限元方法在进行两相多孔介质地震反应计算分析时的有效性.