隔震结构基于Kanai-Tajimi平稳激励谱矩的简明解析解

隔震结构基于Kanai-Tajimi激励下的地震动位移、层间剪力及其谱矩的分析,是计算其动力可靠度的前提,针对传统方法计算上述响应非常复杂的问题,提出了一种简明解析解法。由于Kanai-Tajimi谱可用基于白噪声随机激励的二阶滤波方程表示,提出将其与隔震耗能体系地震动方程联立,进而将基于Kanai-Tajimi随机激励的地震动转为基于白噪声激励的地震动响应。利用复模态方法并基于随机振动理论获得隔震体系随机地震动激励下的位移及速度、层间剪力及其速度的协方差简明表达式,利用Wiener-Khinchin定律,获得位移及层间剪力的功率谱简明表达式。最后基于平稳谱矩的定义,研究了可靠度分析的0阶～2阶谱矩的简明解析解。算例表明本文方法具有准确性及简洁性。     

TMD耗能结构基于Kanai-Tajimi谱的地震动响应新简明解

针对TMD耗能结构基于Kanai-Tajimi(K-T)谱的地震动响应的表达式复杂不利于工程应用的问题,提出了一种简明解法。首先将K-T谱的滤波方程和TMD耗能结构的运动方程联立,把基于K-T谱的地震动转化为基于白噪声激励的地震动。其次,运用复模态法获得TMD耗能结构的复振动特征值及模态强度系数;运用随机振动理论获得随机地震动响应(结构层位移及其变化率、层间位移及其变化率和层间剪力)协方差和功率谱密度函数的简明表达式。然后,基于谱矩的定义,获得TMD耗能结构地震动响应的0-2阶谱矩的简明解析解。最后研究了基于首次超越破坏准则及Markov分布假设的TMD耗能结构的体系动力可靠度。给出算例并与虚拟激励法进行比较,结果表明:两者的响应功率谱密度函数完全一致;当虚拟激励法积分步长为0.1rad/s,积分区间为0rad/s～1000rad/s时,两种方法所得结构响应的0-2阶谱矩完全重合,表明本文方法的简明性和精确性。     

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。     

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.      

建筑结构基于巴斯金风速谱的系列风振响应的简明封闭解

针对巴斯金风速谱激励下的建筑结构顺风向振动响应表达式复杂的问题,提出了一种简明封闭解法.巴斯金随机谱广泛应用于描述脉动风、随机地震动和路面不平顺等各种随机激励,本文基于留数定理给出巴斯金风速功率谱的二次正交式.综合运用复模态法和虚拟激励法获得了建筑结构系列响应(位移、层间位移及其变化率)功率谱的统一形式的二次正交式,并根据谱矩的定义获得了建筑结构系列响应的方差和谱矩及绝对加速度方差的简明封闭解.运用本文方法对一8层建筑结构进行分析,并与传统虚拟激励法进行对比研究,表明本文所得封闭解正确,并可用于验证虚拟激励法在谱矩和方差分析时的精度和效率.由于本文方法含有复模态法,故可用于各类线性结构基于巴斯金谱的随机响应分析和基于动力可靠度及舒适度的动力优化分析.     

基于Kanai-Tajimi谱的非黏滞阻尼结构地震动响应的简明闭式解

针对非黏滞阻尼结构基于Kanai-Tajimi谱的卷积-微分混合动力方程解法较繁琐的问题,提出了 一种新的简明封闭解法.非黏滞阻尼模型能较好地模拟实际工程材料的阻尼特征,常以指数型核函数的卷积形式表示,给出其对应的微分型本构关系.Kanai-Tajimi谱随机地震动模型能较好地描述场地的随机地震动特性,其工程应用时所获...     

桁架拱结构在地震动双向多点激励下的反应分析

基于经验相干损失函数和《建筑抗震设计规范》定义的反应谱模拟了空间变化地震动,进行了空间变化水平向和竖向地震动共同激励下桁架拱结构的反应分析。数值分析结果表明,与一致激励引起的结构反应相比,考虑地震动的空间变化增大了桁架拱结构的地震反应,引起地震动空间变化的每一个因素对于结构反应都有重要的影响。传统的基于一致地震动和仅考...     

场地土的随机地震反应分析

研究了剪切模量随深度呈线性变化时场地土的随机地震反应分析方法, 分别建立了基岩输入地震动加速度功率谱函数为白噪声和过滤白噪声时场地土的随机地震反应分析理论。     

SDOF体系地震输入能量谱的简化问题研究

从美国加州大学地震动数据库选取40条强震记录并按我国场地类型进行了分类;基于能量平衡原理,采用归一化方法,分析了不同地震动作用和结构自身质量对弹性、弹塑性SDOF体系地震输入能量谱的影响;并根据能量谱特征提出了一种更为简便且可直接用于我国场地类型的三段式能量谱,并给出了相关参数取值。分析结果表明:SDOF体系质量对三段式能量谱曲线的分界周期无明显影响;在场地土类型和结构自身质量相同的情况下,弹性SDOF体系地震输入能量是弹塑性SDOF体系的1.1倍~1.4倍。     

基于修正的Clough-Penzien地震动模型时MTMD的动力特性

研究了由许多刚度和阻尼保持常量而频率呈线性分布的TMD形成的MTMD的地震特性，基于虚拟激励法和本文提出的平稳过滤有色噪声地震动模型（修正的Clough-Penzien地震动模型），建立了结构－MTMD系统的传递函数，进而导出了设置MTMD时结构的动力放大系数（DMF）明确表达式。MTMD的优化准则可选为最大动力放大系数的最小值的最小化（Min.Min.Max.DMF)。通过最优搜寻可得MTMD的最优频率间隔、平均阻尼比、调谐频率比和相应的无量纲控制有效性指标。考虑结构受控频率与场地土卓越频率比的不同取值和不同场地类型，研究了场地土卓越频率和场地类型对MTMD最优参数及有效性的影响。而且，为比较，基于Clogh-Penzien地震动模型和不考虑地震动模型的结果也被考虑。     

基于平稳过滤有色噪声地震动模型的MTMD性能评价

研究了由许多刚度和阻尼保持为常量且频率呈线性分布的TMDs形成的MTMD的地震特性。基于虚拟激励法和平稳过滤有色噪声地震动模型，建立了结构－MTMD系统的传递函数，进而导出了设置MTMD时结构的动力放大系数（DMF）明确表达式。于是MTMD的优化准则可定义为Min.Min.Max.DMF。通过最优搜寻可得MTMD的最优频率间隔、平均阻尼比、调谐频率比和相应的无量纲控制有效性指标。目前的论文通过考虑结构受控频率与地震加速度卓越频率比的不同取值和不同场地类型，研究地震卓越频率和场地类型对MTMD最优参数及有效性的影响。同时与基于Kanai-Tajimi平稳过滤白噪声地震动模型和不考虑地震加速度卓越频率(ωg=∝）两种情况的结果进行了比较。     

基于震源机制且考虑场地土分层差异效应的多点地震动:理论与程序开发

结合前人工作,首先形成了适用于我国目标场地的基于震源机制,且考虑局部场地效应的地表多点地震动具体生成途径,包括:(1)依据随机振动理论建立能够反映包含多个土层在内的局部场地整体过滤效应的传递函数,(2)基于本文作者改进的过滤函数而得到的适用于我国目标场地的基岩谱,进而通过分区建立局部场地的整体传递函数以反映不同场地土之间的差异性,(3)在前人工作基础上考虑了场地的非平坦性因素,(4)为了程序编制方便,给出了多土层过滤后相位角变化的显示表达式;然后,依据上述理论框架成功实现了程序MEMSV2011.6(Multi-support Earthquake Motions Simulation Version 2011.6)的编制和可视化运行,该程序可直接生成界面图形并输出数据文件,具体功能包括:设置震源参数、分区输入土层参数、计算并显示土层传递函数、设定非平稳参数、调控频率、生成多点地震动时程、验证多点地震动间的相干性以及拟合规范(桥梁、建筑和电力设施)反应谱等;最后,以一桥梁土层为算例,利用该程序生成了目标场地基于震源机制的地表多点地震动,并分析了地表地震动对场地土和震中距因素的敏感性。本文内容具有坚实理论基础和实用性,可直接为工程提供参考。     

基于能量的平稳地震动功率谱转换关系持时取值研究

功率谱密度函数与反应谱的转换关系广泛应用于随机振动分析和人工地震动合成过程中,地震动持时对转换结果有着重要的影响。依据傅里叶幅值谱精确计算输入能量谱方法,并结合功率谱与幅值谱的关系,建立了与功率谱相对应的输入能量谱。以大量地震动记录统计得到的输入能量谱作为参考,提出了功率谱与设计谱转换过程中持时的确定方法。以Ⅱ类场地为例,选择了多条天然地震动记录和谱匹配时域调整记录进行统计计算,确定了合理的持时取值,通过人工合成记录验证了持时取值的合理性。     

加性非平稳激励下结构速度响应的FPK方程降维

结构在随机激励下的非线性响应分析是具有高度挑战性的困难问题. 对于白噪声或过滤白噪声激励,求解FPK方程将获得结构响应 的精确解. 遗憾的是,对于非线性多自由度系统,FPK方程难以直接求解. 事实上,其数值解法严重受限于方程维度,而解析求解 则仅适用于少数特定的系统,且多是稳态解. 因此,将FPK方程进行降维,是求解高维随机动力响应分析问题的重要途径. 本文针 对幅值调制的加性白噪声激励下多自由度非线性结构的非平稳随机响应分析问题,将联合概率密度函数满足的高维FPK方程进行降 维. 针对结构速度响应概率密度函数求解,通过引入等价漂移系数,原FPK方程可转化为一维FPK型方程. 建议了构造等价漂移系数 的条件均值函数方法. 进而,采用路径积分方法求解降维FPK型方程,得到速度概率密度函数的数值解答. 结合单自由度Rayleigh 振子、十层线性剪切型框架和非线性剪切型框架结构在幅值调制的加性白噪声激励下的非平稳速度响应求解,讨论了本文方法的精 度和效率,验证了其有效性.      

加性非平稳激励下结构速度响应的FPK方程降维

结构在随机激励下的非线性响应分析是具有高度挑战性的困难问题.对于白噪声或过滤白噪声激励,求解FPK方程将获得结构响应的精确解.遗憾的是,对于非线性多自由度系统,FPK方程难以直接求解.事实上,其数值解法严重受限于方程维度,而解析求解则仅适用于少数特定的系统,且多是稳态解.因此,将FPK方程进行降维,是求解高维随机动力响应分析问题的重要途径.本文针对幅值调制的加性白噪声激励下多自由度非线性结构的非平稳随机响应分析问题,将联合概率密度函数满足的高维FPK方程进行降维.针对结构速度响应概率密度函数求解,通过引入等价漂移系数,原FPK方程可转化为一维FPK型方程.建议了构造等价漂移系数的条件均值函数方法.进而,采用路径积分方法求解降维FPK型方程,得到速度概率密度函数的数值解答.结合单自由度Rayleigh振子、十层线性剪切型框架和非线性剪切型框架结构在幅值调制的加性白噪声激励下的非平稳速度响应求解,讨论了本文方法的精度和效率,验证了其有效性.     

环境激励下基于小波包分析的结构损伤预警方法

将环境荷载激励技术与小波包分析相结合,提出对环境激励下的结构动力响应计算虚拟脉冲响应函数并在此基础上计算结构的小波包能量谱及其损伤预警指标,用以表征结构动力系统的损伤状态.通过Benchmark试验模型模拟结构的多种损伤状态,采集模型在环境激励下结构损伤前后的动力响应,计算了结构损伤预警的小波包能量谱及其损伤预警指标.试验结果表明,环境激励下基于小波包能量谱的结构损伤预警指标具有良好的损伤预警能力,可以准确地判定结构初期损伤的发生.     

带支撑广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析

工程中粘弹性阻尼器的安装通过支撑与结构进行连接,但在安装粘弹性阻尼器的耗能结构随机响应分析中,为了简化计算过程,将支撑的刚度看作无穷大或者忽略支撑刚度的影响。实际上,对支撑刚度的影响加以考虑更能符合工程实际。针对考虑支撑刚度影响的粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析过程复杂的问题,提出了一种求解考虑支撑影响的广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构基于Davenport谱风振响应的简明解析解法。在广义Maxwell粘弹性阻尼器微分型本构模型基础上,给出了考虑支撑刚度的粘弹性阻尼器等效本构关系。将粘弹性阻尼器等效本构关系与结构运动方程联立,采用复模态法将其解耦,获得结构风振响应的统一表达式。将耗能结构在Davenport风速谱下的系列响应功率谱密度函数分解为频域响应函数与Davenport功率谱密度函数的乘积形式,基于随机振动理论中谱矩的定义,对响应功率谱密度函数积分后获得无积分项的系列响应谱矩表达式。在算例中通过与虚拟激励法计算结果对比,验证了所提解法的准确性,并分析了支撑刚度在耗能系统中的影响。     

剪切模量是幂函数的成层土的地震随机反应

基于改进的一维剪切梁模型，对剪切模量是其深度的某一幂函数的成层非均质土层，得到其稳态动力响应的封闭型解析表达式。首次证明了这种土层振型函数的正交性，然后利用随机振动理论，并基于基岩输入地震加速度的功率谱密度函数：白噪声谱和过滤白噪声谱。研究了该土层对地震的随机动力响应问题。计算结果表明，1)在基岩输入地震加速度的功率谱为白噪声谱的情况下，土层的最大期望反应均有别于过滤白噪声谱时的相应值；2)平稳输入与输出过高地估计了土层的随机响应。     

简支梁非线性响应的三维路径积分法分析

采用基于Gauss-Legendre积分公式的三维路径积分法,分析了在过滤高斯白噪声激励下的简支梁非线性随机振动响应的概率密度函数;联立一阶滤波方程与简支梁一阶模态的振动模型,得到在过滤高斯白噪声激励下的简支梁随机振动模型,基于Gauss-Legendre积分公式的积分法和短时高斯近似法求解响应的概率密度函数值。结果表明,三维路径积分法计算值与蒙特卡洛模拟值符合良好,即使在尾部区域也符合良好。三维路径积分法比等效线性化法的计算精度更高。     

考虑半覆水圆弧相变场地特征的地下多点地震动模拟方法与程序开发

建立了同时引入土壤介质相变和半覆水圆弧地形因素的场地模型，并给出了地下多点地震动模拟的理论框架，开发了依据本文理论的程序并予以可靠性验证。首先，基于探明的波场分布得到了SV波入射半覆水圆弧相变场地的频域解；其次，获得依据频域解的场地传递函数并求解出地下自功率谱，建立了基于所得到的地下相干函数的地下互功率谱，由此构建出地下功率谱矩阵；最后，实现频域模型向时域信号转化（即多点地震动时程曲线），进而基于上述理论进行可视化程序开发。通过数值算例进一步阐明了本研究的意义，结果表明，（1）地下与地表多点地震动在能量分布上存在显著差异，说明了研究的必要性；（2）生成地震动的拟合功率谱和拟合相干函数与理论值吻合较好，表明了结果的合理性；（3）可视化程序界面简洁，参数输入及调整方便，后处理结果显示清晰，反映出程序的便捷及适用性。