考虑桩-土-结构动力相互作用时高层建筑风致振动的响应计算

本文推导了考虑桩土结构动力相互作用时高层建筑在脉动风荷载作用下的运动方程。然后根据国家规范提供的参数及风洞试验得到的形状系数,推导出脉动风速及风压之间的关系,求出脉动风荷载的时程。利用该荷载对某超高层建筑的动力响应进行了计算。计算结果表明：桩土结构动力相互作用对高层建筑的风致振动响应的影响是明显的,应当引起重视。     

考虑土-结构相互作用的高层建筑横风向振动分析

用由风洞试验得出的横风向荷载功率谱密度公式,推导出考虑结构-土相互作用(SSI)的横风向荷载功率谱密度和结构的频率响应函数矩阵公式,得到结构横风向风振响应计算公式.对超高层建筑横风向振动算例说明,考虑SSI后,房屋高度、土层的剪切波速和结构阻尼比的变化,对结构顶层的弹性位移、总位移和总加速度响应有不同影响,并指出不考虑SSI,高层建筑的横风向风振响应可能偏于不安全,因而对不同的响应类型,给出了不需考虑SSI的结构阻尼比取值范围的建议值.     

基于简化模型的北京奥林匹克公园中心演播塔顺风向风振TMD控制研究

研究了TMD对北京奥林匹克公园中心演播塔在强风作用下顺风向风振响应的振动控制效果。基于随机振动理论,利用M.Shinozuka方法对该塔的顺风向脉动风荷载进行了数值模拟,得到了6条顺风向脉动风荷载时程曲线;利用二维模型研究了该塔的三维空间模型,并验证了二维模型的正确性和可靠性,而且利用二维模型进行减振控制研究,大大节省了计算时间;以该塔顶层的顺风向风振加速度响应为优化目标,对TMD的参数进行了优化研究。结果表明,该塔的顺风向风振加速度响应超过了规范的容许值,设置TMD后该塔的顺风向风振加速度响应有明显的减小;在TMD最优参数下,该塔顶层的顺风向风振加速度响应和位移响应的减振率分别为20.2%和42.7%。TMD吸收了大量的能量,对该塔的顺风向风振响应有明显的控制作用。     

考虑桩-土相互作用的不等高墩桥地震响应分析

基于LS-DYNA有限元软件的二次开发功能,引入p-y桩土动力相互作用模型和钢材的BONORA损伤本构模型。以某大桥四跨引桥为研究对象,建立了包括考虑土-结构相互作用的WINKLER地基梁模型、有效桩长模型、全桩长模型,以及不考虑土-结构相互作用的无桩模型等四种桩基础分析模型和上部结构弹塑性损伤分析模型;通过场地自由场求解,在桩侧节点上施加相应位置的加速度时程,对基于四种桩基础模型的该大桥进行了自振特性以及在小震、中震和大震下的位移、加速度、内力、损伤分析,并探讨了WINKLER地基梁模型不同深度下桩-土p-y模型的应力-应变关系和桩身变形特性。结果表明,桩基础数值分析模型对结构整体响应影响显著,不等高墩桥顺桥向与横桥向响应差距大,所开发的p-y模型可用于桥梁结构精细化数值分析。     

地震激励下桩-土非线性耦合作用对桩基动力响应特性的影响

为探讨桩-土非线性耦合作用对桩基动力响应特性的影响,以桩-土-结构耦合系统为研究对象,建立三维非线性有限元模型。采用Drucker-Prager非线性土体本构模型,利用罚函数法实现桩-土-结构界面间的非线性耦合作用,引入无反射边界条件,并考虑重力因素,得到了水平和竖直方向组合地震激励下桩-土非线性相互作用对桩基地震响应的影响。结果表明,考虑桩-土接触非线性,桩基的加速度响应峰值减小,桩土之间出现明显的分离现象,桩基剪力和弯矩峰值有所增加。通过对桩基轴力的校核,桩基不承受拉力,不会发生拔桩现象。     

桩-土-结构相互作用对桩基组合结构振动控制的影响研究

提出了一种新的混合振动控制体系——组合桩基结构体系,推导了其考虑桩-土-结构相互作用(PSSI)的振动及控制方程,并分析了PSSI对组合桩基结构的振动控制影响,以及土与结构各种主要参数对控制效果的影响.分析结果表明:PSSI对桩基结构及联接体的位移响应影响较小,对加速度响应影响较大;当桩周土的等效剪切波速小于700 m/s,组合桩基结构的振动控制应该考虑PSSI的影响;过分增大桩的截面惯性矩对振动控制的影响不大;桩基结构的上部质量对体系的振动控制影响较大,主要表现为:质量越大PSSI对联接体的加速度影响越大.     

考虑桩-土相互作用的连续刚构桥车桥耦合振动分析

针对某高速铁路上一座位于软弱地基处的连续刚构桥,为研究考虑桩-土相互作用对上部结构和车辆动力响应的准确影响,避免由于桩顶横向位移和弯曲的耦合作用带来的误差,建立包含桩基础的整体桥梁模型(全桩模型),对比以往常用的墩底固结模型和在承台底施加弹簧约束的模型(等效刚度模型)。计算分析了三种模型的自振特性,使用桥梁动力分析程序BDAP V2.0分别进行动力仿真分析。对比分析表明：考虑桩-土相互作用对桥梁横向振动有较大影响,其中横向动位移显著增大,最大误差达31%,而横向加速度降低;全桩模型由于考虑了桩土相互作用以及横向位移和弯曲的耦合作用,比墩底固结模型和等效刚度模型要合理;高速铁路桥梁位于软弱地基处且具有高桩承台时,应采用考虑桩-土-上部结构动力相互作用的有限元模型进行车桥动力仿真分析。     

考虑桩-土-结构相互作用的结构振动控制研究

在Penzien模型的基础上,建立了考虑桩-土-结构相互作用(PSSI)的计算模型,推导了其主动控制方程,分析了PSSI对结构控制的影响,以及土与结构各种主要参数对控制效果的影响。分析结果表明:考虑PSSI,结构地震响应有所加大,控制效果有所降低,最大控制力增大;在一定范围内,土的剪切波速、桩的截面惯性矩以及上部结构的基本周期对结构的主动控制有着显著的影响。     

非线性桩-土作用对车桥耦合振动的影响研究

该文基于文克尔地基梁理论,利用修正的P-Y曲线法和荷载传递双曲线法,建立了桩-土非线性作用模型。采用了桩和土相对刚度来计算水平方向桩-土相互作用的初始刚度。通过Mohr-Coulomb法则得到土的极限抗力,并结合Matlock P-Y曲线法对极限抗力的表达式进行了修正,从而充分考虑了土的极限抗力的深度效应。编制了桩-土非线性梁单元有限元程序,建立了考虑非线性桩-土相互作用的车桥耦合模型。结合工程实例,分析了非线性桩-土相互作用的桥梁模型对车桥耦合响应的影响,并与墩底固结模型进行了对比。结果表明:在车桥耦合振动过程中,考虑非线性的桩-土相互作用,桥梁的横向位移幅值显著增大,竖向位移幅值增大,桥梁加速度幅值降低。此结果对处于软弱基础的高速铁路桥梁的分析和设计提供了参数和依据。     

动力荷载作用下水-桩-土相互作用简化分析研究EI北大核心CSCD

针对近海结构单桩基础在动力荷载作用下发生复杂的水-桩-土相互作用问题,建立了三维水-桩-土全耦合动力有限元分析模型。土体、桩和水体分别采用实体单元和声学单元模拟,土体截断边界采用滚轴边界条件、水体截断边界采用无反射吸收边界条件,并确定了合理的截断边界位置;以全耦合分析模型计算结果为参考解,系统研究了四种动荷载作用下水-桩不耦合(两者界面自由)和水-土不耦合(两者界面自由)对桩体和海床表面位移和动水压力响应的影响,揭示了不同水深和桩体半径变化下不考虑两种相互作用的影响规律。     

高湍流度风场下金茂大厦的舒适度分析

来流湍流度对超高层建筑的风振响应有很大的影响,在新模拟出更接近实际风场湍流度的流场的基础上,用高频测力天平方法对金茂大厦模型进行了风洞试验。根据试验结果及计算得到了该塔楼334m高度处的峰值加速度,分析了风向、地貌、周围建筑干扰等条件尤其是待建的环球金融中心对结构峰值加速度的影响。结果表明:已有周边建筑对结构加速度影响不大,但待建的环球金融中心则有显著的干扰影响,它有可能使得金茂大厦的峰值加速度在B类、D类地貌下分别增加55%和10%。最后,分析对比了用规范10年重现期基本风速和气象资料所得风速的加速度计算结果。     

基于风振性能的高层建筑抗风设计优化

提出了一个基于风振性能的结构优化设计方法来解决高层建筑在各种风灾条件下的风致性能设计问题。借签抗震性能设计方法,划分了高层建筑的三水准抗风设防标准。各水准下的风灾烈度及其概率要素可以通过对气象部门的极端风速记录开展统计极值分析来进行。基于高层建筑风致动力响应的频域内风振模态分析,给出了各种风致加速度指标的实用表达式。通过数学建模对风致性能的结构优化设计问题作出了精确描述,用结构构件尺寸等设计变量显式的表达出各种风振性能设计指标。发展了基于优化准则法的数值算法来求解高层建筑在多种风致性能设计约束条件下的结构最优设计。最后,通过一个40层住宅楼的工程实例验证了文中提出的多级抗风性能自动化结构设计方法的有效性和实用性。     

高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究

高层建筑由于自振周期长、阻尼小,其高柔的特征使其对风荷载特别敏感,风荷载是沿海地区超高层建筑的主要水平控制荷载,因此在强/台风作用下,其抗风设计须在满足规范安全要求的前提下,同时又要经济实用和结构性能高效,为此,开展高层建筑抗风优化和风振控制方面的研究具有十分重要的现实意义。该文在对高层建筑抗风优化设计和风振控制研究现状做简要介绍的基础上,首先根据风荷载的特点,着重研究了考虑风速风向联合概率分布和基于可靠度及性能化的高层建筑抗风设计方法,采用最优准则法,以结构的总重或总造价为目标函数,以顶部位移、层间侧移以及顶部风致加速度为约束条件,对高层建筑结构杆件截面抗风优化设计的相关问题进行了研究。同时为提高基因遗传智能优化算法的收敛速度和获得最可能优化解,该文提出了传统基因遗传的改进算法(如基于改进罚函数及分级遗传算法)用于结构抗风优化设计。在结构拓扑抗风优化方面,则主要引入分层优化的概念,对变密度法和改进动态进化率的双向渐进拓扑优化方法,应用于抗风结构的拓扑构型优化算法进行了相关研究。通过实例分析验证了上述结构抗风优化算法的高效和正确性。在风振控制方面,该文结合摩擦摆系统和调谐质量阻尼器各自的优点,提出了摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD)被动控制系统,对其力学和动力特性,以及高层建筑顶部带FPS-TMD系统的风振控制理论,进行了相关研究。以结构控制第三代Benchmark模型为实例,研究顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效果,同时结合该文开发的基于小型电振动台的实时混合实验测试平台,采用风振控制实时混合实验结果与理论模拟计算结果的对比,验证了该文提出的FPS-TMD被动控制系统,应用于高层建筑风振控制的有效性。     

利通广场台风特性与风致振动分析

对利通广场实施了在台风“韦森特”影响下的楼顶风速、风向和风致加速度响应的实时同步测试。获取了本次台风影响时此超高层建筑顶部的湍流强度、阵风因子及脉动风速功率谱密度等风场特性。通过对风致加速度的分析,研究了风致加速度的频谱特征、结构自振频率及其振型等相关动力特征,采用随机减量法求得结构第一振型阻尼比与振幅的非线性关系。另一方面,通过对此超高层建筑在无风荷载的环境激励条件下GPS楼顶位移的测试和分析,探讨了GPS多路径效应的形成机制及消除方法。并将GPS位移以及风致加速度获得的结构自振频率,与有限元分析结果进行对比分析,验证了两种测试方法均能有效识别实际结构的自振频率等动力特征。上述实测分析结果可为超高层建筑抗风设计提供参考。     

非线性振型结构HFFB试验模态力计算方法及不确定性分析

基于高频测力天平风洞试验对非线性振型结构的风致响应提出了改进的评估方法。假设结构风荷载沿高度的分布与阵风风压分布相同,采用结构真实振型计算风荷载模态力。推导了高耸结构风荷载模态力及风致响应计算公式,可以考虑结构多阶真实振型,从而使高频测力天平方法可更为准确地评估非线性振型结构的风致响应及等效静力风荷载。对某一质量、刚度有突变的高耸结构进行了高频测力天平风洞试验,与现有的线性化振型法进行对比,结果表明在弱非线性振型下,线性化振型法得到的加速度响应较层荷载假设方法偏大约40%。研究了层荷载分布的不确定性对计算加速度响应结果的影响,结果表明在阵风剖面层荷载的假设下,荷载分布的不确定性对结构最大加速度响应的影响很小,验证了本文方法的适用性。     

基于分离涡方法的台北101大厦流固耦合风致响应分析

以台北101大楼为研究对象,应用一种新的湍流脉动流场产生方法(DSRFG)模拟了台北101大厦周围风场的湍流入口边界条件,采用分离涡方法对该建筑进行数值风洞模拟。根据大厦外形特征,建立了几何模型,用于大厦风荷载的数值模拟;基于大厦振动监测系统得到的结构模态、自振频率等数据,建立了大厦的结构模型,用于气弹响应分析。将计算结果与现场实测以及风洞测力试验的相应数据进行了对比,以验证数值风洞的有效性。对是否考虑流固耦合的大厦数值模型的等效风荷载及风致响应进行对比分析,并探讨了流固耦合效应对大厦周围风流场的影响。对该对象的研究结果表明,在顺风向上,建筑物的风致响应不易受流固耦合效应影响,而在横风向上,考虑了双向流固耦合的有限元模型,其等效静风荷载及加速度与位移响应均小于未考虑流固耦合的有限元模型。在流场上,流固耦合效应减小了建筑两侧的涡量,但会产生较大的脱落涡旋,可能会对下游建筑风环境造成不利影响。     

Stochastic optimal control of wind-excited tall buildings using semi-active MR-TLCDs

A new semi-active control device, magneto-rheological tuned liquid column damper (MR-TLCD), has been devised recently by the authors for mitigation of wind-induced vibration response of tall building structures. The developed device combines the benefits of magneto-rheological smart materials and tuned liquid column dampers. In this paper, real-time semi-active vibration control of tall building structures incorporating nonlinear MR-TLCDs under random wind excitation is studied by means of the statistical linearization method and the optimal linear quadratic (LQ) control strategy. The equations of motion of a tall building structure subjected to random wind loading and controlled by using MR-TLCDs at the top floor are first derived and represented in modal coordinate. After linearizing the uncontrollable part of MR-TLCD damping force and incorporating it with structural components, the classical linear quadratic (LQ) control strategy is applied to the linearized structural system to determine optimal control force of the MR-TLCDs. Clipping treatment is performed to ensure the commanded control force implementable by the MR-TLCDs. Wind-excited response of the semi-actively controlled structural system is evaluated by using the frequency-response function and then compared with that of the passively controlled structure to determine the control efficacy. A case study of a 50-story building structure is conducted to illustrate excellent control efficacy of the proposed semi-active MR-TLCD control system.     

高层钢结构TMDs风振舒适度控制最优参数与简化设计

分别将脉动风视为白噪声和采用Davenport风速谱，基于建筑荷载规范GBJ9－87，导出了高层钢结构－TMD系统减振系数DRF1和DRF2。数值研究表明；高层钢结构的基本周期和基本风压不影响TMDs最优设计参数；将脉动风设为白噪声或采用Davenport风速谱时，TMDs最优设计参数未有改变，但减振系数略有变化。同时，基于导出的高层钢结构TMD－系列加速度传递函数及加速度动力放大系数，研究了TMDs最优参数取值。提出了高层钢结构TMD风振舒适度控制简化设计过程。数值算例说明了本文方法的应用及TMDs对高层钢结构风振舒适度控制的有效性。比较了基于位移和加速度设计的TMDs系统。     

MR智能阻尼器对空间网壳结构的风振抑制分析

磁流变液（MR）智能阻尼器是一种新型智能材料减振装置,可用于空间网壳结构的风振抑制。以适当方式和空间网壳结构结合即形成智能材料杆件空间网壳结构。建立了智能材料杆件有限元模型,研究了磁流变阻尼器布置方式和控制策略对空间网壳结构抗风减振的影响。将MR阻尼器设置于网壳结构径向肋杆处优于设在结构环向杆件处。不同控制策略导致不同的风振控制效果。Passive—off控制策略的风振抑制效果较差;Passive-on策略对控制结构的位移响应效果较好,而对控制结构的速度响应和加速度响应效果不佳。半主动控制策略对控制结构的位移响应、速度响应和加谏序响府均掂瑚相．针对不同风荷载作用,采用相同阻尼器布置方案和控制策略,结构风振控制效果大致相同。     

高层建筑顶部幕墙结构的风振控制研究

考虑主体结构与顶部幕墙结构的相互作用,采用主体结构层模型-顶部幕墙结构杆系模型分析结构的风效应和顶部幕墙的风振鞭梢效应,应用增设内置式粘弹性阻尼器支撑的控制方法来减小顶部幕墙的风振响应.通过对一栋42层的高层建筑的计算分析表明:采用内置式粘弹性阻尼器支撑后,大大地降低顶部幕墙结构的风振位移,为防止顶部玻璃幕墙的掉落增加可靠性.