基于UKF的双轴耦联Bouc-Wen模型识别与应用

Bouc-Wen模型常用于非线性滞回模拟,具有滞回曲线连续可微、可考虑退化、拈缩等非线性效应的优点。该文在双轴Bouc-Wen模型的基础上,提出了适用于单向偏心结构的平扭耦联Bouc-Wen模型,导出状态方程并利用无色Kalman滤波器(UKF)对其进行参数辨识。结合单向偏心结构的等效二自由度模型(EDDOF),利用UKF对其非线性反应信号进行系统辨识,进行了应用研究。结果表明:UKF可对双轴耦联系统的状态及参数进行快速高效识别,且精度可靠,通过单向偏心结构地震反应分析和辨识验证了其适用性和可靠性。该模型亦可表征广义系统状态,拓展应用于结构监测控制、可靠性和随机反应分析等相关研究领域的应用。     

一种多自由度阻尼体系动力问题的高阶分析方法

传统动力时程直接积分法多采用低阶数值格式,需要选择非常小的时间步距才能获得满足精度要求的动力分析结果.该文将结构动力时程分析的积分求微法推广至多自由度情形,发展了一种具有较高计算效率的多自由度阻尼体系的动力时程高阶分析方法.将相邻的ρ个时步组成一个待求解时段,基于多自由度体系动力响应积分解,以精细积分法结合秦九韶算法计...     

非同轴质量偏心结构平扭耦合风振响应的研究

为了详细地对比分析结构各质量中心不在同一轴线上的偏心对结构风致平移一扭转耦合响应的影响,提出了分析非同轴质量偏心结构风振响应的基本框架.首先,建立了两层六自由度非同轴质量偏心结构的动力方程,并将其推广至N层3N自由度的非同轴质量偏心结构动力方程;然后,基于高频力平衡(HFFB)技术和多点同步扫描(MPSS)技术获得的顺风向、横风向以及扭转风荷载功率谱,考虑横风向和扭转风荷载之间的相关性以及模态之间的耦合,在频域内进行非同轴质量偏心结构的风致平移一扭转耦合响应分析.一栋120 m高的矩形钢结构建筑,被简化为15个自由度的三维分析模型作为数值研究案例.通过设置不同位置的结构质量偏心,分析研究了单轴质量偏心、非同轴质量偏心对矩形建筑结构平移一扭转风振的影响.     

首都机场新塔台风振响应的研究

采用SAP2000建立了首都机场新塔台的三维有限元模型.在导出其刚度矩阵和质量矩阵的基础上,建立了具有三维有限元模型力学性能的二维多自由度体系.计算表明二维多自由度体系与三维有限元模型的前五阶自振周期(x方向)误差均在4.6%以内.采用快速傅利叶变换(FFT)进行了随机风场的仿真,仿真得到了16维脉动风荷载时程样本.用Wilson-θ法对其进行了动力响应分析,对其动力特性在时域范围内有了一定了解.时程分析表明,塔台明室加速度响应峰值为0.041 35 m/s2,小于规范规定的容许峰值,满足人体舒适度要求.     

单层双向偏心结构振型影响参数推导分析

为了深入分析单层双向偏心结构平扭耦联参数的影响规律,建立单层双向偏心结构(3自由度)的动力方程,并采用数学领域中三次方程求解的盛金公式,推导出单层双向偏心结构的动力特性显式解析解。根据所得显式解的形式及其对应的判定条件,在合理范围内提取出不同于单向偏心体系的影响参数,分别为:相对偏心距、偏心角、主扭平频率比以及次扭平频率比。根据盛金公式推导所得的显式解析解,总结出结构的主要动力特性指标(频率和振型),进而分析了每个参数对双向偏心结构的平扭耦联特性的影响。结果表明,双向偏心结构平扭耦联参数与单向偏心结构有相似之处,但更为复杂,会涉及到主扭平频率比与次扭平频率比,且两者影响程度也有明显区别。     

基于等效层模型的静动力抗震分析及其在剪力墙减震设计中的应用

以某高层剪力墙结构为工程背景,基于等效层模型,将静力弹塑性方法与非线性时程分析方法相结合,对结构进行了消能减震分析。首先对结构三维空间模型进行了静力弹塑性分析,得到了结构的层间恢复力曲线。在此基础上,根据能量相等原则确定了等效三线型恢复力模型,建立了结构等效弹塑性层模型,进行了弹塑性时程分析,并研究了非线性粘滞流体阻尼器对高层剪力墙结构在罕遇地震作用下反应的振动控制。分别对减震前后剪力墙结构在EL CENTRO波、唐山波和人工波作用下的整体反应进行了分析和评估。研究结果表明,采用静动力综合抗震分析方法对结构弹塑性等效层模型进行时程分析可以用于评估结构的弹塑性整体抗震性能,为工程设计提供参考;采用粘滞流体阻尼器可以明显减小高层剪力墙结构在罕遇地震作用下的反应,使得层间位移满足《建筑抗震设计规范》的要求,该方法可为类似结构的减震设计提供借鉴。     

FRC框架结构基于等效单自由度模型的抗地震倒塌能力评估

为了快速评估建筑结构的抗地震倒塌能力,该文基于Adam等提出的等效单自由度模型,首先用Pushover分析方法对纤维增强混凝土(FRC)结构进行静力弹塑性分析,获得其基底剪力-顶点位移曲线,据此确定其力-变形关系;然后根据力-变形关系以及侧向位移形状函数,确定相应的等效单自由度模型的相关参数;按等效单自由度模型计算结构的抗地震倒塌能力。分别对某8层钢筋混凝土框架结构和FRC框架结构进行分析。结果表明:用与多自由度结构相应的等效单自由度模型评估FRC框架结构的整体抗地震倒塌能力是可行和偏于保守的;采用抛物线加载模式比倒三角加载模式得到更接近由IDA分析所得的结构抗地震倒塌能力中位值;在其他条件相同时,FRC框架结构比普通混凝土框架结构具有更高的抗地震倒塌能力。     

爆炸冲击荷载作用下SRC柱等效单自由度模型

爆炸冲击荷载作用下结构构件的反应分析方法常用的是等效单自由度模型，在现有的有关资料中，等效单自由度模型主要用于钢筋混凝土构件和钢构件。等效单自由度模型的关键是确定等效弹性位移、破坏位移和屈服强度。以通用有限元分析软件LS—DYNA为基础，研究了钢骨混凝土（SRC）柱在爆炸冲击荷载作用下的反应特征，确定出了等效单自由度模型的等效弹性位移和破坏位移；以常规SRC柱设计理论为基础，提出了等效单自由度模型的等效屈服强度计算公式。最后用所建立的等效单自由度模型和LS—DYNA软件分别对8根SRC柱共48种爆炸冲击荷载工况进行对比分析，验证了所提出的等效单自由度模型。     

薄膜结构随机风场模拟和耦合风振响应分析

发展了一种以脉动风速曲线的人工模拟为基础的非线性随机振动的时域分析方法。应用自回归滑动平均(ARMA)模型对大跨度薄膜结构随机风场进行了数值仿真;采用Wilson-θ逐步积分法和Newton-Raphson迭代法推导了薄膜结构在抖振力作用下的非线性动力增量平衡方程,可考虑风与结构物的耦合作用,进一步求出结构的时程响应曲线和统计特性;对参数变化对结构抖振响应的影响进行了分析,从而分析索膜结构的抖振响应特性。     

弹塑性DEM方法在杆系结构中的应用研究

在颗粒离散元(DEM)方法应用于杆系结构弹性分析基础上,进一步对材料非线性行为进行了研究。引入纤维模型,将DEM方法中连接颗粒与颗粒之间的弹簧用分布式弹簧进行等效,并将分布式弹簧看作是粘结截面的若干根纤维,建立了可考虑截面塑性发展的DEM纤维模型。推导了弹塑性接触本构模型内力增量计算公式,编制了计算程序并通过算例验证了此方法在结构弹塑性分析中的适用性和正确性。最后,以跨度40m的单层球面网壳结构为例,对其进行地震弹塑性动力时程分析,模拟了结构动力响应以及杆件截面塑性发展程度。此方法可有效克服传统有限元方法在非线性分析时存在的刚度矩阵奇异、迭代不易收敛等问题。     

基于简化IDA的结构地震损伤评估方法

将等效单自由度（SDOF）体系假设与Pushover分析方法相结合,建议了一种简化的增量动力分析（IDA）方法。给出损伤指数R与结构反应限值和抗震三水准的对应关系。根据结构抗震失效概率公式给出结构地震损伤概率计算方法,进一步得到结构在不同地震强度下的损伤指数期望值R_e,用以评估结构的地震损伤等级。在此基础上建立了基于简化IDA的结构地震损伤评估方法。为了验证所提出的方法,按照不同场地设计了三幢结构模型,选取了典型地震动记录作为结构的水平地震动激励,对结构模型进行了IDA、地震易损性分析和地震损伤评估。通过算例分析表明,基于简化IDA的结构地震损伤评估方法计算量小,易于操作,但得到的结构损伤值较大,抗震评估结果偏于安全。     

地震作用下基础隔震框剪结构竖向连续倒塌可靠度分析

在引入隔震支座地震损伤模型的基础上,运用整体可靠度理论对基础隔震框剪结构进行竖向连续倒塌可靠度分析。首先,利用隔震支座的地震损伤模型,得到罕遇地震作用下最易失效的隔震支座;然后,在考虑损伤结构不确定性参数的基础上,利用竖向随机动力增量分析（IDA）方法,得到损伤结构竖向连续倒塌荷载系数;以荷载系数为整体性能指标,进行易损性分析;利用基于最大熵原理的二次四阶矩法,计算损伤结构发生倒塌的概率,最后,以一基础隔震框剪结构为例,利用该方法计算损伤结构竖向连续倒塌的可靠度指标及失效概率。研究表明,该方法可直观地得到结构抗竖向连续倒塌的能力,为评估结构在地震作用下产生损伤提供量化依据。     

不同抗震等级RC框架结构抗地震倒塌能力的研究

为研究抗震等级对钢筋混凝土（RC）框架结构抗地震倒塌能力的影响,根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）分别设计了不同抗震设防烈度和抗震等级的20个典型RC框架结构,应用动力增量分析法对框架结构进行了倒塌易损性分析,并对比了不同抗震等级框架结构的抗地震倒塌能力。结果表明:框架结构的抗震等级对其抗地震倒塌能力有重要影响,同一抗震设防烈度下,随着抗震等级的提高,其倒塌概率不断减小,倒塌储备系数（CMR）不断增大,框架结构的抗地震倒塌能力不断提高。框架柱的轴压比、纵向配筋率和体积配箍率是影响框架结构抗地震倒塌能力的重要因素。     

减震设计与抗震设计RC框架结构抗地震倒塌能力对比

与传统抗震设计不同,结构的消能减震设计通过在结构上设置减震装置以消耗地震输入能量,达到减轻主体结构地震响应的目的,在满足相同的设计要求下,减震设计结构由于阻尼器的耗能作用,其截面尺寸或配筋较抗震设计结构有一定的优化。根据我国抗震规范,按传统抗震方法和消能减震方法分别设计了一组钢筋混凝土框架结构。采用基于动力增量时程分析方法的结构抗倒塌易损性分析流程,对不同设计方法所设计的框架结构的抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备进行了定量评价,并对计算结果进行了对比分析。根据分析结果提出了提高高烈度区减震设计框架结构抗倒塌能力的相关措施,并通过算例验证了所提措施的有效性。     

考虑梁柱节点模型的钢筋混凝土框架地震易损性研究

钢筋混凝土框架结构的梁柱节点对结构抗震力学性能具有显著的影响。基于刚性节点假定和宏观柔性模型的节点模拟方式,一直缺乏有关其适用范围的研究。地震易损性分析方法的引入,能够从概率意义上定量地刻画这两种节点模型对钢筋混凝土框架结构抗震力学性能的影响,获得的结论可望为钢筋混凝土框架结构梁柱节点的处理提供理论的依据与支撑。因此,该文基于OpenSees平台,考虑地震动输入的随机性,通过采用双频率段控制选波方法,并采用增量动力分析理论,定义4个不同的抗震性能水准,对三榀不同层数的钢筋混凝土框架结构分别采用刚性节点假定和宏观柔性模型进行了地震易损性研究。获得的结论表明:基于我国抗震规范设计的钢筋混凝土框架结构,在多遇地震作用下,采用刚性节点假定对结构进行抗震性能评估是合理的,否则需要考虑梁柱节点变形对整个框架结构抗震性能的影响。     

基于性能的钢筋混凝土框架结构地震易损性分析

钢筋混凝土结构易损性的研究大多数集中于地震烈度或地震动峰值加速度上(PGA),地震动的选取亦没有考虑近远场地震的不同,且对于房屋建筑的研究较少.因此综合考虑地震动峰值加速度及阻尼比为 5%的谱加速度,考虑近场及远场地震的不同性质,对一钢筋混凝土框架房屋进行地震易损性分析.定义了结构整体的4 个极限破坏状态,提出了基于结构极限破坏状态确定结构抗震性能水平的方法.最后基于增量动力分析(IDA)的结果,采用该方法对结构进行基于性能的地震易损性分析,得到结构的易损性曲线,对结构在不同IM 参数及不同地震动下的易损性能进行评估和对比分析.从而可以根据结构的实际地震需求从概率意义上判断结构所处的地震破坏状态,为今后震害预测提供了参考.     

基于随机IDA的结构量化指标限值求解方法

该文基于数值模拟以5层、8层和12层钢筋混凝土框架结构为研究对象,对各结构进行了20条地震动作用下的随机增量动力分析,采用基于性能的抗震设计理论,提出了一种确定结构屈服和倒塌水平能力限值的方法。基于该方法,得到了各结构模型屈服和倒塌破坏水平的地震易损性曲线。分析结果表明,结构的屈服和倒塌能力限值可以由相应易损性曲线上95%置信水平下的具有5%屈服和倒塌概率时的限值求出;通过对比各结构屈服和倒塌的易损性曲线,揭示出结构层数的变化对易损性曲线的影响。     

FRC框架结构地震风险评估的简化方法

对结构地震风险进行精细的量化分析成为在直接财产损失、居住中断时间、死亡人数评估中必不可少的部分。该文首先用增量动力分析（IDA）法对纤维增强混凝土（FRC）框架结构进行动力时程分析,获得其IDA曲线,据此确定结构的地震易损性曲线,并由此考虑知识不确定性,确定考虑知识不确定性的易损性曲线;按考虑知识不确定性的易损性曲线与地震危险性曲线相结合,进行风险评估;然后基于Laura Eads等提出的评估地震风险的简化方法来进行风险评估。分别对按我国规范设计的8层FRC框架结构和钢筋混凝土（RC）框架结构进行分析。结果表明:采用简化方法得到的FRC框架和RC框架结构的倒塌风险均偏大,误差分别为5.7%和8.0%,对于结构风险评估是可行和偏于保守的。     

考虑参数不确定性的无筋砌体结构地震易损性分析

鉴于无筋砌体结构参数的高离散性及其地震响应的强非线性,在地震易损性分析中考虑其结构参数的不确定性显得尤为必要。以4幢不同层数的无筋砌体结构为研究对象,在OpenSees中建立等效框架有限元模型,采用增量动力法和一次二阶矩法考察了地震动及结构参数不确定性对其地震易损性的影响。分析结果表明:在无筋砌体结构的地震易损性分析中需考虑地震动和结构参数的不确定性影响,且结构地震破坏程度越高这种影响程度越大;结构参数的不确定性影响程度与地震动的影响程度相当;结构参数不确定性相比于地震动不确定性的影响随着结构层数的降低而变得更为明显;敏感性分析表明,结构阻尼比变化对易损性曲线地震强度中位值的影响可达到其他单个参数的4倍,其敏感性最高。