多维地震激励下地基与结构相互作用系统动力反应耦联分析

为研究多维地震作用下地基与结构相互作用系统动力反应的基本规律,进行密肋复合墙结构与地基相互作用系统的模型振动台试验,测试了输入El-Centro波及天津波时地基与结构的加速度及位移反应,观测了地基开裂破坏现象。依据相互作用体系中上部结构的动力反应耦联模式,分析了结构加速度与位移反应耦联效应随高度的变化规律,研究了相互作用体系中结构振动耦联机制。结果表明:随测点高度的增加,加速度耦联效应系数除在顶层发生突变外,其余各测点的值均较为接近,且多数加载工况下位移耦联效应系数随高度的变化不明显;随着输入地震波烈度的提高,地基土先开裂而后略密实,结构顶部动力反应的耦联效应系数先增大后减小,相同烈度不同加载工况对应的值相差在10%以内。由此可见,在地震作用下地基的开裂破坏,导致地基与上部结构的接触发生变化,使结构在多维地震波作用下的动力反应发生耦联。     

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.     

考虑风-结构-土耦合作用时高层建筑顺风向风振响应分析

本文综合考虑了风-结构-土的耦合作用对高层建筑顺风向风振响应的影响，研究了在各种参数下高层建筑风振响应的特性。由于在风-结构-土耦合作用问题的整个体系的控制方程中，既有时域中的耦合关系，又有频域中的耦合关系，本文提出采用傅立叶变换-时频迭代法来进行求解，较好地解决了用普通的方法难以解决的问题。最后采用数值计算的方法比较了考虑风-结构-土的耦合作用和仅考虑土-结构相互作用以及刚性基础的结构位移响应及加速度响应。     

砖石古塔模型振动台试验的离散元模拟分析

砖石古塔块体间黏结强度较低,受地震作用易产生裂缝后发生破坏,为研究砖石古塔在地震作用下开裂及裂缝发展机制,以玄奘塔1/8缩尺模型结构为对象,建立离散元模型,计算了地震波激励下结构的加速度及位移反应,与振动台试验结果进行对比,分析了塔体开裂破坏全过程。结果表明,数值计算所得结构的加速度及位移反应与振动台试验结果一致,当地震烈度较低时,两者顶层位移变化曲线基本一致;烈度提高后,塔体开裂导致结构动力响应的计算值与试验结果出现差异,但两者的变化规律相同。在地震波激励下,塔体首层先开裂,随地震烈度的提高延伸至中部塔层,块体第2层出现阶梯状错动,模型损伤过程与试验裂缝发展状况基本吻合。研究结果为砖石古塔地震损伤及破坏过程分析提供了参考。     

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。     

一维弹塑性波在土-结构体系中传播的有限元分析

本文用有限元方法分析了一维弹塑性波在土-结构体系中的传播问题。土体用Drucker-Prager屈服准则描述,结构仅考虑为线弹性体。文中给出了有限元计算的基本公式,计算和分析了自由场中压力和加速度峰值随深度衰减特性,土-结构体系界面的相互作用力和结构运动加速度特性:讨论了土分层和卸载模量对反应特性的影响。文中还对弹性波和弹塑性波两种情况下的结果做了比较。     

一种三维饱和土-基础-结构动力相互作用分析方法

地震波入射时土与结构动力相互作用分析是地震工程领域的重要问题.由于问题的复杂性,以往的研究大多考虑地基土为干土情形.而实际工程中,土体中经常充满孔隙水,土层往往是含水层或部分含水层.孔隙水对土层的地震反应影响较大,进而影响支撑于其上的基础和上部结构的响应.因此,有必要考虑饱和土-基础-结构动力相互作用问题.基于此,土体采用Biot模型,利用集中质量显式有限元方法并结合多次透射人工边界进行模拟;结构经有限元离散后,采用Newmark隐式时步积分方法进行分析,可通过ANSYS等有限元软件实现;基础假定为刚性,采用显式时步积分进行求解;土体和结构(及基础)可分别采用不同的时间步距;通过FORTRAN程序实现了三维饱和土-基础-结构系统在地震作用下的整体分析.从饱和多孔介质动力微分方程出发可知,干土是饱和土的特殊情形,通过将流体体积模量及孔隙率置为零,可将饱和土退化到干土,从而将干土统一到饱和土的计算框架中,通过土-结构相互作用算例对此进行了验证,进一步实现了干土与饱和土混合情形时的土-结构动力相互作用分析,使得问题的模拟更贴近实际工程(如考虑地下水位情形).通过算例对比了饱和土地基、干土地基、干土覆盖饱和土地基(考虑地下水位)情形时,土-结构相互作用对基础和结构响应的影响,结果表明地下水位对基础和结构响应的影响较大.     

基于新建筑抗震设计规范考虑场地土特性的人工波生成及可靠性研究

基于新《建筑抗震设计规范》对场地土特性和人工波选择的要求，将地震动作为随机过程，利用修正胡聿贤-周锡元模型以及基于Hartley正交基的地震动随机过程经双调制生成不同场地土特性的人工地震波，以6层钢筋混凝土结构非线性随机地震反应分析为例，研究了不同场地土特性人工波对结构位移可靠度的影响。结果表明，场地土因素对人工波生成以及结构的动力响应影响较大，不同场地土人工波具有明显的统计学特性，均满足建筑抗震设计规范的选波要求，为最新《建筑抗震设计规范》要求考虑大量不同场地土效应的地震波生成提供了新的解决办法。     

考虑土-结构相互作用下桥梁震动的半主动控制研究

研究了考虑土-结构相互作用下桥梁结构的MRD半主动震动控制.将桥梁结构简化成14自由度模型,作动器布置在桥台和主梁之间.采用子结构方法考虑土-结构之间的相互作用.为简化计算,地基阻抗函数采用与激励频率无关的时域阻抗函数.分别用LQR和H_∞控制算法控制桥梁结构的响应.研究表明:在场地土较弱时,土-结构相互作用明显改变结构的动力特性,对桥梁结构的MRD半主动控制的控制效果有重要的影响;控制理论设计的控制器更具有鲁棒性,在剪切波速较大时,控制效果和LQR半主动控制接近;在剪切波速较小时,仍然对桥梁结构有控制效果,而LQR半主动控制的控制效果变差,甚至是增大结构的响应.     

圆柱形储罐考虑桩土相互作用地震响应的简化分析

以Penzien集中质量模型为基础建立了某圆柱形锚固储罐考虑桩-土-罐相互作用及罐壁柔性的简化分析模型,采用有限元软件ABAQUS建立了该桩-土-罐力学模型,分析了其自振特性及在水平基岩波激励下的动力响应.分析结果得知,相比于刚性地基,考虑桩土相互作用的储液罐对流频率几乎不变,第一阶柔性脉动频率略有减小;在动力响应方面,储液罐基底剪力和力矩最大值略有减小,但其对流分量和刚性脉动分量最大值均有增大,所以本文建议在储液罐进行设计时应充分考虑桩土相互作用后储罐动力响应的有利和不利变化,从整体上把握来确保储液罐的抗震安全性.     

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.      

Masonry walls strengthened with composite materials – dynamic out-of-plane behavior

The dynamic behavior of masonry walls strengthened with composite materials and subjected to dynamic out-of-plane loading is analytically investigated. The analytical model derived in the paper focuses on one-way action through the height of the wall and it is based on dynamic equilibrium and the compatibility conditions between the structural components (masonry units, mortar joints, FRP reinforcement, and adhesive layers). The cracking and the nonlinear and dissipative behavior of the mortar material, the breathing of cracks, the rocking phenomenon, the development of arching forces, the interaction between the existing wall and the composite system, and the formation of debonded zones near the cracked mortar joints are considered in the nonlinear dynamic analysis. A numerical study that examines the capabilities of the model, quantifies the response of the strengthened wall to dynamic loads such as free and forced vibrations and seismic base excitation, and compares it to the response of the unstrengthened wall is presented. A summary and conclusions close the paper.     

实心砖石古塔动力特性与结构损伤分析

为研究"丝绸之路"起点世界文化遗产建筑兴教寺测师塔的动力性能及结构损伤,采用超低频动态测试系统进行了原位动力测试试验.在环境随机激励下,采集了该塔各楼层顶部水平振动的速度响应信号,经滤波后通过积分变换进行自谱及互谱分析,得到了结构沿水平方向的前2阶自振频率与振型.并依据结构测绘结果,建立测师塔数值模型,计算了弹性模量逐渐降低时的振动特性,并与测试结果进行对比,依据结构损伤参数识别的改进形法,进行了测师塔结构损伤分析.结果表明,该塔沿东西与南北两个水平方向的前2阶频率值相近,第1阶振型呈弯曲型,第2阶振型呈弯剪型;与无损砌体弹性模量的取值比较,测师塔结构的等效弹性模量降低较多,其结构整体损伤较为严重.因此,可通过确定无损砌体的弹性模量,采用动力测试及数值计算依据等效弹性模量进行残损砖石古塔结构损伤识别.     

Dynamic response of rocking cracked masonry walls

The behaviour of masonry constructions results to be very far from the one characterizing ductile structures. In masonry constructions, the seismic action activates a rocking motion rather than a dissipating mechanism. A strength resource of masonry structures, properly reinforced in order to avoid early local failures, consists in exhibiting rocking behaviour, until a failure condition is attained. Aim of the paper is to investigate the dynamic behaviour of masonry single storey walls, according to Housner’s studies and innovatively introducing the effect of diagonal cracks developing from the toes of the piers and shown by typical post-earthquake cracking patterns. The proposed procedure can be easily applied to the case of multi-storey regular masonry walls with openings representing the main resistant structural components of a masonry building. Starting from the evaluation of the incipient rocking acceleration of the system, the free and forced motions of the wall are examined. In the paper, according to the classical Housner’s approach, the energy dissipation occurring during the impact is modelled. Finally, a numerical application, considering a simple constant horizontal acceleration impulse of given duration has been carried out.

     

核电结构土-结相互作用分析分区混合计算方法

土-结构相互作用分析是核电结构进行抗震设计和安全评估的重要环节.在核电结构的土-结相互作用分析中,阻尼和非线性是影响结构反应的重要因素. 若采用频域分析,可以方便考虑阻尼,但需通过等效线性化来考虑非线性,不适合于强震作用下的土体非线性.若采用时域分析的逐步积分方法,适合于考虑非线性,但材料阻尼一般采用瑞利阻尼模型,除了紧靠指定阻尼比的少数几个振型外,其他振型的反应将受到瑞利阻尼模型所确定的大阻尼所抑制,造成地震反应与真实情形有较大差异.若采用时域分析的模态叠加法,可合理计入阻尼效应,但模态叠加法不能考虑非线性.因此,如何合理考虑阻尼和非线性是核电结构土-结相互作用分析需要关注的问题.基于此,本文提出一种模态叠加和时步积分结合的土-结相互作用分区算法.其中,出于安全性考虑,地震作用下核电主体结构一般不允许进入非线性,因此结构可采用模态叠加方法,以便合理考虑结构阻尼;土体和基础采用显式时步积分法,可考虑土体非线性;通过人工边界条件考虑无限域的影响 (辐射阻尼).通过简单算例对该方法进行了验证,并用于CAP1400核电结构的土-结相互作用分析中,对比分析了采用模态阻尼和瑞利阻尼时核电结构和场地反应的差异,结果表明结构阻尼模型对场地的反应影响不大,但对结构反应影响明显,在实际工程中应合理选取阻尼模型.      

中国古建筑结构力学研究进展

中国古代建筑是中国古代文化的宝贵遗产. 力学的多样性也反映在古建筑 结构力学研究. 西安交通大学从1982年开始, 对以西安明代箭楼、城楼和宁波宋代保国寺 等国家重点保护文物为代表的木结构建筑, 以唐代大雁塔、小雁塔等国家重点保护文物为代 表的古代高层建筑, 和以国家重点保护文物西安古城墙为代表的砖-土结构以及钟楼、鼓楼 等中国城市的代表性古建筑的结构力学特性进行了一系列研究. 得到关于古建筑结构(如斗 拱、结构非线性、榫卯节点的接触力学特性、地宫、古代夯土、古塔基础、古城墙等)力学 特性的新认识. 本文对此进行小结, 同时也介绍近年来的其它学者的一些研究.     

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。     

土-结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土-结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土-结构动力相互作用问题数值模拟的精度。波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效荷载,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂。从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震荷载的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法。新方法通过对土-结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效荷载,然后将等效输入地震荷载施加在土-结构模型的人工边界节点上,从而完成土-结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算。与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定荷载的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震荷载计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点。采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性。      

Assessment of nonlinear seismic performance of a restored historical arch bridge using ambient vibrations

Historic masonry arch bridges are vital components of transportation systems in many countries worldwide, ensuring the ready access of goods and services to millions of people. The structural failure of these historic structures would severely and adversely impact the economies of these nations due to the massive disruptions of transportation systems accompanying such failures. To successfully maintain these aging masonry structures, performance assessment must incorporate the unique mechanical characteristics of masonry. Therefore, the preferred analysis technique must go beyond a linear approach. This study assesses the earthquake performance of a restored historical masonry arch bridge through nonlinear finite element analysis incorporating the Drucker–Prager damage criterion. The case study structure is the Mikron Arch Bridge, a nineteenth century Ottoman Era structure built over the Firtina River near Rize, Turkey, and restored in 1998. The Mikron Arch Bridge was first subjected to ambient vibration testing, during which accelerometers were placed at several points on the bridge span to record the bridge vibratory response. The investigators then used Enhanced Frequency Domain Decomposition and Stochastic Subspace Identification techniques to extract the experimental natural frequencies, mode shapes, and damping ratios from these measurements. Experimental results were compared with those obtained by the linear finite element analysis of the bridge. Good agreement between mode shapes was observed during this comparison, though natural frequencies disagree by 8–10%. The boundary conditions of the linear finite element model of Mikron Arch Bridge are adjusted such that the analytical predictions agree with the ambient vibration test results. By introducing the Drucker–Prager damage criterion, the calibrated linear FE model was next extended into a nonlinear model. Nonlinear analysis of seismic behavior of Mikron arch bridge was performed considering the acceleration record of Erzincan earthquake in 1992 that occurred near the Mikron Bridge region. The displacement and stress results were observed to be allowable level of the stone material. Moreover, linear FE model calibrations elicited a significant influence on the nonlinear FE model simulations.