地震和风耦合作用下连体高层建筑联合易损性分析方法研究

近年来,城市地标建筑的建设中,高层连体建筑越来越受到青睐,在其服役期内不可避免地受到风和地震等多种灾害作用。而单一灾害作用下的结构失效概率低估了结构损伤乃至倒塌的可能性,迫切需要多灾害作用下的结构安全性能评价方法。本文以苏州国际会议酒店的连体高层建筑为对象,开展了地震和风耦合作用下的联合易损性分析方法研究。首先,建立了地震和风耦合作用下的多灾害易损性函数和结构性能需求函数,形成了多灾害联合易损性分析方法。随后,选取了地震动记录,开展了基于数值风洞的结构风荷载模拟,并进行了单一灾害作用下的结构易损性分析。最后,基于均匀分布抽样了100组地震和风耦合作用的荷载组合,开展了结构多灾害联合易损性分析。结果表明,结构易损性随着PGA和风速的增大而增大;相比单一灾害作用,地震与风耦合作用下,结构各破坏状态的失效概率均有所增加;当风速达40 m/s时,罕遇地震作用下结构轻微破坏、中等破坏、严重破坏和倒塌破坏的概率相比仅地震作用时分别增加了1.13%,35.67%,84.00%和98.33%。本文研究为复杂高层建筑多灾害安全性能评价提供了可用工具和参考。     

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。      

多维地震作用下高层结构振动混合控制研究

针对水平和竖向地震作用下高层建筑结构的混合振动控制问题,研究调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)体系、隔震结构体系、隔震与TMD混合控制体系3种策略对水平与竖向地震共同作用下结构振动响应的减振效果。选取典型的20层钢结构Benchmark结构模型,利用ANSYS软件建立带有TMD和隔震层结构的有限元模型,比较了结构在水平地震单独作用下与水平和竖向地震共同作用下的振动响应。结果表明,水平方向上的振动响应无明显变化;竖直方向上,有控状态下的减振指标相对于无控状态出现了增大现象,尤其是层间隔震结构增大较为明显。研究成果可为高烈度区高层隔震结构设计提供参考。     

高层建筑程序DASTAB中抗震分析的三维反应谱方法及工程实例

本文从三维动力方程出发,应用反应谱理论推导了空间结构在任意方向地面运动作用下结构变形与内力的计算方法。所得到的算式是十分简单、实用的。这套公式对于空间问题自然地计及了扭转效应,而对于平面模型的处理则与当前规范完全一致。可以说,这是当前抗震规范所规定的反应谱方法在三维结构分析中的自然推广及理论论证。 三维反应谱方法已在高层建筑专用程序DASTAB上实现。动力分析可以采用与静力分析同样复杂、细致的模型。国内许多大设计院用DASTAB程序对多种形式的三维结构模型进行抗震计算(包括水平面内0°,45°,90°方向的地震作用),均对计算结果表示满意。由于应用了多层子结构,多级主从关系等技术,从而大大减少了数据准备及计算工作量。     

大跨空间结构的竖向静力弹塑性分析

对于大跨刚性空间结构,国内外关于静力弹塑性竖向抗震理论方面的研究成果还比较稀少;本文参照高层结构的静力弹塑性分析方法提出了一种新的大跨刚性空间结构竖向静力弹塑性计算方法即Push-down方法;对该方法的基本原理进行详细论述和推导,如竖向弹塑性能力谱和竖向需求谱的建立,并提出了几种竖向荷载式;通过一个计算实例,详细描述Push-down法的计算步骤.该方法可以对第一振型为竖向变形的大跨刚性空间结构进行有效的抗震性能评估,从而使设计人员全面了解在竖向地震作用下大跨刚性空间结构的动力特性和抗震性能.     

基于小波包技术的爆破地震效应计算模型及安全判据研究

采用小波包分解和重构的方法,将复杂的实测爆破地震波速度信号转化为多个简谐波的叠加,将 爆破速度荷载作用下结构的动态响应问题转化为一系列简谐荷载作用下的动态响应问题。通过提出速度因 子的新概念并反映在爆破地震效应计算模型中,考虑了结构动态响应中瞬态响应的影响。同时爆破地震效应 计算模型中又融入了归一化的能量比例,在考虑爆破荷载频率的影响时仅需考虑占有相当能量比例的优势 频率的综合作用。然后,在该计算模型基础上提出了一个新的爆破地震效应安全判据。该判据能反映出爆破 激励荷载作用下结构速度响应大小与结构特性、爆破荷载幅值、频率(包括多个优势频率)、持续时间及能量比 例等参数的关系。最后结合实际工程案例,通过使用基于小波包技术的爆破地震效应计算模型与时程分析 法,分别求解出速度响应幅值并将结果进行对比,验证了所建模型的可行性。     

高层建筑物荷载与地下水开采叠加作用下的地面沉降特征

在地下水开采和高层建筑荷载叠加作用下,城市地面沉降分布愈加复杂。以天津塘沽地区为例,考虑到土体在固结沉降中的平衡条件、弹性本构条件、变形协调条件和水流连续条件,以比奥固结理论为基础,建立了高层建筑荷载和地下水开采叠加作用下三维地面沉降模型,采用有限元方法进行了数值计算。结果表明,高层建筑物的附加荷载作用在其建成后的3~4a内将产生可观的地面沉降量; 抽水和高层建筑荷载叠加作用下的地面沉降存在耦合效应,叠加作用下的地面沉降值小于可比条件下单独抽水和单独荷载作用下地面沉降值之和。     

在水平荷载作用下高层建筑结构空间协同工作内力分析的矩阵方法

本文对由框架、剪力墙(壁式框架)和框架-剪力墙等抗侧力结构组成的高层建筑结构在任意水平荷载作用下,考虑空间协同工作,使用矩阵位移法和矩阵力法相结合的矩阵方法进行内力分析,推导了适合于编制程序的计算公式,介绍了计算程序的粗框图和计算步骤,在编制程序时,把有剪力墙的结构化为等效框架处理,除考虑弯曲变形外,还对柱子考虑了剪切、轴向变形和扭转因素;对     

圆形地下连续墙场地地震反应的简化计算方法

首先将水平地震荷载作用沿环向展开为傅立叶级数,利用沿圆周法向和切向两个方向的正交性,再将水平地震荷载转化为一致横向荷载组合,使三维求解问题转变为一系列旋转子午面上二维问题的叠加,进而提出圆形地下连续墙场地地震反应的简化计算方法。之后,采用等效线性化方法来考虑土体非线性性质,进一步将非线性地震反应问题转化为线性问题求解。...     

高层与超高层框架——芯筒结构中刚性加强层的布置对侧移控制作用…

采用文献［１］构造的有旋转自由度的平台单元，建立起有刚性加强层的框架－芯筒结构计算模型，对刚性加强层在高层建筑结构控制移方面的作用进行较精确的数值分析，计算结果可供高层建筑结构设计工作者参考。     

高层与超高层框架——芯筒结构中刚性加强层的布置对侧移控制作用的研究

采用文献［１］构造的有旋转自由度的平台单元，建立起有刚性加强层的框架—芯筒结构计算模型，对刚性加强层在高层建筑结构控制侧移方面的作用进行较精确的数值分析，计算结果可供高层建筑结构设计工作者参考     

挡土结构物随机地震响应分析及动力可靠度研究

本文提供了一种简单的确定性数值方法,来分析在平稳随机地震荷载作用下的结构随机地震响应及动力可靠度。该方法基于有限元动力分析软件,以单位加速度脉冲函数作为地震荷载的输入,当计算出结构的脉冲响应函数后,再运用傅立叶变换得到随机激励和结构响应之间的传递函数,由此来计算结构的均方根响应和峰值响应。基于此方法,分析了挡土结构物在平稳随机地震荷载作用下的位移、弯矩、基底水平合力、基底竖向合力以及沿墙高的土压力极值的随机地震响应及动力可靠度。从分析结果可以看出:用Kanai谱模型的计算值比欧进萍谱模型的计算值更趋保守,而把响应过程当作马尔可夫过程似比泊松过程更精确。     

核爆炸冲击波作用下土中浅埋刚性结构动力反应分析

本文采用双线性加载、常应变卸载的土壤介质模型,根据一维平面波理论,分析研究、计算了突加线性衰减冲击波荷载作用下土中浅埋刚性结构的动力反应,给出了作用于刚性结构顶、底板上的,包括相互作用荷载和惯性荷载在内的最大动荷载计算曲线,以及顶、底板动荷载随时间的变化曲线。     

苏联第11个五年计划期间结构计算理论和方法的主要科学研究方向

在1981—1985的第11个五年计划期间,苏联建筑力学和结构计算理论将在下述9个方向予以发展。1.按照静荷载,动荷载(其中包括地震荷载)和气候等作用下的综合图,研究房屋和工程结构的计算方法,这里假定结构物为统一的空间系统,并考虑所有结构部件的工作。目前,建筑物设计主要是根据有不同理由的简化计算模型进行计算。在多数计算模      

高层建筑风荷载反演研究

本文研究了结构参数未知条件下的高层建筑风荷载反演问题,通过将平均风速的实测特性作为识别计算中的辅助条件,文中提出了一类荷载归一化统计平均方法,结合工程实例,进行了高层建筑风荷载反演分析,结果表明,本文建议方法可以在幅值、时程等方面均给出良好的风荷载反演结果,同时识别得到的结构参数具有良好的精度。从而为高层建筑风荷载研究提供了一条可行途径。     

水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的抗爆性能

在水下爆炸冲击荷载作用下,结构动力响应较之静态荷载和地震荷载作用下要复杂得多。通过大 量的数值模拟,探讨了混凝土重力坝在水下爆炸冲击荷载作用下,大坝高度、库前水位对大坝抗爆性能的影 响,为大坝抗爆性能评估和防护设计提供基础。数值计算中,构建了重力坝水下爆炸全耦合数值模型,并考虑 爆炸冲击作用下混凝土的高应变率效应。研究结果表明:对于混凝土重力坝,随着大坝高度的增加,大坝的抗 爆性能增强;库前水位对大坝的抗爆性能影响较大,通过降低库前水位可有效提高大坝的抗爆性能。     

地震作用下高层建筑结构的重叠分散控制研究

针对地震作用下高层建筑结构大系统控制问题,引入分散控制的策略,导出重叠分散最优控制(Overlapping Decentralized Optimal Control)算法。该方法将包含原理与线性二次型(Linear Quadratic Regulator)最优控制原理相结合,通过扩展分解控制系统及协调收缩获得重叠分散控制器。对某20层钢结构Benchmark结构模型进行数值计算与分析,结果表明,导出的重叠分散最优控制方法可以有效地抑制结构地震反应,控制效果不仅接近传统的集中控制方法,而且提高了高层结构大系统控制的鲁棒性和可靠性。本文方法可应用于大尺度高层结构振动控制中,实现高层建筑结构地震反应的可靠控制。     

基于无迹卡尔曼滤波的高层建筑风荷载反演

基于无迹卡尔曼滤波提出了一种高层建筑风荷载的反演算法，该方法利用有限测量楼层的风致响应数据，实时识别结构的未知风荷载和风致响应。通过典型高层建筑的风洞试验进行风荷载反演实例分析，验证了该方法的准确性和适用性，评估了模态参数误差、测量噪声水平对风荷载反演的影响。研究结果表明，文中提出的算法对模态参数误差不敏感，在一定噪声水平下反演的结果基本能够满足实际工程需要，该算法为实时评估高层建筑的风荷载和风致响应提供了有效的工具。     

四肢钢管混凝土格构柱地震损伤模型及试验研究

为了评价巨型组合结构体系中钢管混凝土格构柱的地震损伤情况,对4根四肢钢管混凝土格构柱进行了拟静力试验,得出了四肢钢管混凝土格构柱在水平低周反复荷载作用下的水平荷载-位移滞回曲线、破坏特征和构件损伤情况。在试验所获得滞回曲线的基础上,通过对能量系数和耗能因子的修正,在传统双参数地震损伤模型基础上建立了适用于巨型组合结构体系中钢管混凝土格构柱的考虑无效耗能的双参数地震损伤模型,与试验结果相吻合。结果表明,修正后的模型能够较为准确地反映四肢钢管混凝土格构柱各位移阶段的损伤系数,为巨型组合结构体系中钢管混凝土四肢格构柱及其结构的地震损伤分析提供参考依据。     

利用浅水水箱作为阻尼器的大连国贸大厦减振控制研究

针对一实际工程结构—大连国贸大厦,研究了风荷载作用下调液阻尼器的减振控制作用。首先建立了该结构的简化计算模型,利用Davenport谱给出了模拟风荷载;在大厦所处的位置进行多次测量,得到实际风速样本,选取其中风速较大、过程平稳的样本,对实测样本与模拟样本的频谱进行比较,验证了模拟风荷载的合理性。文中在大厦顶层设置浅水水箱,将其设计成可减少结构位移及加速度反应的控制装置TLD,以提高大厦在风荷载作用下的舒适度,并给出了高层建筑水箱减振方案实施的设计建议。数值计算结果表明,该大厦顶部设置TLD减振装置后,能有效地控制结构在风荷载作用下的反应。依据本文的TLD设计步骤,可供类似高层建筑进行TLD减小风振控制分析和设计时参考。