数值计算结合试验测定模态阻尼法

任一种分布的激励必将引起多个模态的响应,试验中要激出单一模态振动是很难的,传统阻尼比估算方法所采用的信号处理手段不能有效分离叠加模态,以致测试阻尼比往往误差较大。从多自由度叠加法动响应分析入手,指出模态混叠现象是制约精确阻尼比测试的重要因素,在阻尼较大、刚度较低时模态更密集、叠加效应更显著,提出通过数值计算进行模态截断以实现"纯模态"提取的方案,推导了共振激励下试验与数值仿真结果中频响峰值谱线表达式,找出二者间的关系,用纯模态计算结果修正测试阻尼比。通过对4块不同板单元进行前8阶试验模态分析与数值计算参数修正,结合频响函数验证了修正阻尼比的数据可靠性,得出了不同结构、材料间阻尼比差异的部分规律。结果表明,模型试验对复合材料板的阻尼比识别准确性要低于钢板,其阻尼性能往往被低估且修正幅度较大,该方法为模态参数识别的进一步研究提供了思路。     

高位转换粘滞阻尼减震结构阻尼器合理阻尼系数研究

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》对高位转换结构体系的框支层的层间位移和结构等效侧向刚度的限制要求,采用等效侧向刚度计算方法,将高位耗能减震结构分解成框撑剪结构和纯剪力结构,结合振型分解反应谱理论和线性粘滞阻尼减震结构等效阻尼比计算方法,推导出了高位转换粘滞阻尼减震结构合理阻尼系数的计算公式。最后,通过算例分析得出,采用上述方法计算高位转换粘滞阻尼减震结构粘滞阻尼系数是可行的,该方法计算公式简单实用,可用于高位转换粘滞阻尼减震结构的初步设计。     

独立矩形截面超高层建筑的顺风向气动阻尼风洞试验研究

通过37个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了独立矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼的变化规律,考察了质量密度比、广义刚度、结构阻尼比、高宽比、宽厚比及风场类型对建筑结构气动阻尼比的影响。研究结果表明：超高层建筑顺风向气动阻尼比随折减风速变化的曲线近似一条单调增加的直线;结构阻尼比、质量密度比、宽厚比、折减风速、高宽比是影响顺风气动阻尼的比较重要的参数;广义刚度、风场类型相对影响较小。基于这些研究数据,拟合了超高层建筑顺风向气动阻尼比的经验公式,供工程设计人员参考。     

基于优化准则法的自由阻尼材料拓扑优化

基于各向正交惩罚材料密度法法,建立了以自由阻尼结构模态阻尼比最大化为目标,以阻尼材料体积为约束条件,以阻尼材料单元相对密度为设计变量的拓扑优化数学模型。推导了模态阻尼比对阻尼单元相对密度的灵敏度和设计变量的更新准则,基于优化准则算法用MSC.Nastran的Direct Matrix Abstraction Program语言编制了通用的阻尼材料拓扑优化程序。以一铝板-声腔耦合系统为对象,以结构一阶弯曲模态阻尼比最大为目标,利用该拓扑优化程序和有限元分析方法对铝板上的阻尼材料进行优化布置,并用试验进行了验证。把铝板全阻尼处理和拓扑优化后部分阻尼处理的降噪效果进行对比,在仿真环境中,参考点处声压分别下降了110.6Pa和107.7Pa,在实验条件下,参考点处声压分别下降了22.47Pa和20.91Pa,从而验证了优化方法的有效性。     

索膜结构风致流固耦合气动阻尼效应研究

根据三角形重心坐标系原理提出了基于松耦合计算的流固耦合网格协调插值新方法,提高了流固耦合的计算效率;为解决由于柔性结构加速度过大而导致的求解不稳定问题,通过在1个时间步上进行流体及结构间反复交替求解来得到稳定的时程解。应用上述方法对一柔性平屋盖结构进行风振响应的数值模拟计算,通过与风洞试验的对比验证了计算结果的可靠性,并较全面地再现结构在风作用下的实际行为。在此基础上,联合采用经验模态分解法(EMD),随机减量法(RDT)和希尔伯特变换法(HT)从结构的动力响应时程数据中提取到了结构的气动阻尼特性信息。分析结果表明,气动阻尼在柔性结构的风振响应中作用不容忽视,主要表现为:四周封闭建筑的阻尼比远小于迎风面开孔建筑的阻尼比,且四周封闭状态下气动阻尼随风速变化小,其对总阻尼的影响较小;而迎风面开孔状态下气动阻尼较大且随风速的增大而增大。因此,对于柔性且阻尼较小的结构,特别对于开孔结构,气动阻尼的影响不可忽略。     

竖向混合结构模态阻尼比计算研究

竖向混合结构因各子结构提供的能量损失机制不同,导致结构阻尼矩阵为非比例阻尼矩阵。基于复阻尼理论,推导了竖向混合结构的模态阻尼比计算公式。以一个12层竖向混合框架结构试验为例,将该方法计算得到的模态阻尼比与试验实测结果进行对比,验证了该方法的可行性;并采用不同材料阻尼比对该混合结构有限元模型进行了弹性时程分析,对该方法的有效性进行检验,结果表明该方法计算简便,效率高。最后采用该方法和模态应变能法研究了竖向混合结构各子结构自特性对整体阻尼比的影响情况。     

风场类型对方形超高层建筑顺风向气动阻尼的影响研究

摘要：通过8个典型超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较,验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了典型超高层建筑顺风向气动阻尼比的变化规律,考察了风场类型对建筑结构顺风向气动阻尼比的影响。研究结果表明：在I－IV类风场下,建筑结构的气动阻尼比随折减风速增长的速度渐缓;在V－VIII类风场下,风场对顺风向气动阻尼比的影响不是很显著。基于大量矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼特性研究,并结合风场类型的影响,给出相应的经验公式,供工程设计人员参考。     

波纹钢腹板组合箱梁应力相关阻尼特性研究

基于应力相关材料阻尼理论,选择波纹钢腹板组合箱梁这一新型钢、混组合桥梁结构,通过波纹钢板和钢筋混凝土的单位体积损耗因子,由能量法推导求得波纹钢腹板组合箱梁的损耗因子公式。结合有限元计算的各个单元的应力得到损耗因子,根据一个振动周期能量耗散相等原理,求得等效阻尼比,并将其与实测结果进行比较。分析结果表明：波纹钢腹板组合箱梁桥材料阻尼值不是一个固定值,它是随着应力水平的提高而增大。在自由振动和车辆荷载激励状态下,波纹钢腹板组合箱梁的等效阻尼比建议取为0.3%。提出的损耗因子公式和等效阻尼比的计算可为波纹钢腹板组合箱梁桥动力分析中阻尼的取值提供参考。     

多点激励下绝对位移直接求解算法的误差频域分析

多点激励地震响应分析时,相对运动法将结构内部节点绝对位移分解成拟静位移和动态位移两部分分别进行求解,而绝对位移直接求解法直接对内部节点绝对位移进行求解,在两种求解算法中,阻尼分别假定与内部结点相对速度、绝对速度成比例。两种算法的阻尼假定不同可能会引起计算结果误差,在瑞利阻尼、单元阻尼模型下,采用随机振动方法对两种算法计算结果误差在频域内进行了理论分析,指出了瑞利阻尼模型下两种算法求得的结构动态内力功率谱密度误差主要受结构阻尼比、激励频率与结构基频率比值影响,但单元阻尼模型下两种算法得出的动态内力功率谱密度不存在误差。最后从概率意义上指出：瑞利阻尼模型下,两种算法得出的结构内力响应方差的误差随结构阻尼比的增大而增大,当结构阻尼比不大于5%时,两种算法计算结果误差很小。     

高层基础隔震建筑非平稳随机响应改进算法

利用虚拟激励法和等效线性化技术,计算了基础隔震高层建筑的非平稳随机响应。研究了高阶振型对高层隔震建筑响应的影响,提出了针对基础隔震结构随机响应分析的改进算法。计算中假定隔震建筑上部结构在大震作用下依然保持弹性状态,塑性变形集中在隔震层处,隔震层的恢复力-位移本构关系采用Bouc-Wen模型来描述。上部结构只需要提取前若干阶振型参与动力计算,剩余的高阶振型对结构响应的贡献按照静力校正技术求得。研究表明,改进的计算方法在没有显著增加计算量的同时,通过近似考虑高阶振型的影响,有效地提高了计算的精度。     

双链式悬索桥地震反应特征研究

双链式悬索桥采用钢加劲梁和钢筋混凝上索塔,使得阻尼在全桥中呈非经典阻尼耗能特性,导致主坐标系中的运动方程耦联。基于复阻尼理论求解等效粘滞阻尼比,以近似描述非经典阻尼体系的阻尼耗能特性。考虑几何非线性及非经典阻尼因素,对一座双链式悬索桥进行了地震反应谱和时程反应分析。引入主缆形状系数,将单链式悬索桥作为双链式悬索桥的特例,就同跨度同矢高的双链式悬索桥和单链式（普通式）悬索桥地震反应进行对比分析,揭示双链式悬索桥地震反应特征。双链式悬索桥地震反应特征的研究对该类桥设计选型、动力性能评估及抗震加固设计都有重要的工程意义     

阻尼矩阵选取对核电厂结构地震响应的影响分析

已有研究表明时程动力法中阻尼矩阵的确定对复杂结构工程的地震响应有明显的影响,而核电厂安全相关结构在抗震分析时通常采用时程动力法。为研究阻尼矩阵的选取对核电厂结构的地震响应的影响,从比例阻尼拟合的精度出发,基于结构不同振型对结构产生的影响程度入手,建立更为精确的结构阻尼模型,即等效比例阻尼,并进一步考虑结构自振特性以加权最小二乘法拟合确定等效比例阻尼系数,提出了核电厂结构地震响应分析相应的计算方法。计算结果表明,该方法较传统比例阻尼的方法更接近精确解,是核电工程抗震分析的一个实用参考应用。     

随机地震作用下TMD等效附加阻尼比研究

针对随机地震作用下TMD给结构提供的附加阻尼比展开研究。随机地震动采用过滤白噪声Kanai-Tajimi功率谱模型,并将Kanai-Tajimi功率谱模型描述的场地过滤效应表示成传递函数形式,进而推导出结构相对于基岩的位移动力放大系数。然后,结合SRSS方法,以结构位移响应均方值作为评价准则,提出了随机地震作用下TMD提供给结构任意阶模态的等效附加阻尼比理论公式。最后,以某景观塔作为工程算例展示了TMD等效附加阻尼比的求解流程,并验证了该等效附加阻尼比公式的有效性。算例分析结果表明,使用等效附加阻尼比指标来评估TMD减震性能是合理有效的,且使用推导的TMD等效附加阻尼比理论公式能更准确地评估TMD对结构位移响应的控制效果。     

流体介质中圆板受冲击载荷时的弹塑性非线性动力响应

提出了一种有限元结合积分变化的新方法，用以分析无粘性流体介质中，受冲击载荷的圆板的弹塑性响应。结合轴对称有限元方法，根据节点速度，应用Lagrange插值得到圆板任意时刻的速度函数，并根据速度函数结合积分变换求取流体阻力。通过在每一个积分步上，交互求解结构方程和流体阻力，最终得到圆板的变形和应力时间历程。计算结果同LS-DYNA进行了比较，表面该方法切实可行，且适应面广。在最后以一个半径为的圆板为例进行了分析，并讨论了流体对板受冲击时的动力学行为的影响。     

结构动力有限元分析的阻尼建模及评价

提出一种统一的阻尼模型的定量评价方法和评价指标，设计一套用于评价各种阻尼模型的标准测试案例。分析工程结构动力学建模过程中几种已有的阻尼模型和一种新的阻尼模型——单元化阻尼比法，给出其各自的程序实现。通过标准测试案例的数值测试，比较这些阻尼建模法的性能差异。结果表明，阻尼特性单元化比总体考虑的阻尼特性更趋合理，而单元化阻尼比法则在控制结构总体模态阻尼比方面具有优势。     

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算各时间节点的矩阵指数。逆用微分求积原理发展一种针对含有矩阵指数卷积的高精度数值方法,逐时段求解得到体系各时刻的动力响应。该文方法为动力时程高阶分析方法,全部分析过程仅表现为一系列矩阵乘法及其递推计算,无需求解方程及额外插值,一步计算便可同时获得时段内ρ个时步的全部动态响应(实际动力分析时可取ρ=10~15),具备高效显式算法的特点。由于不必直接计算动力响应积分解中的定积分项,因而避免了对动力方程非齐次项进行特殊处理时所面临的困难。数值试验进一步表明,该方法能很快收敛到精确解,具有较高的计算精度,且数值稳定性好,在较大的时间步距下依然能得到较精确可靠的结果。     

Exploring damping characteristics of composite tower of cable-stayed bridges

The damping characterization is important in making accurate predictions of the seismic response of the hybrid structures dominated by different damping mechanisms. Different damping characteristics arise from the construction of the tower with different materials: steel for the upper part; reinforced concrete for the lower main part and interaction with supporting soil. The process of modeling damping matrices and experimental verification is challenging because damping cannot be determined via static tests as mass and stiffness can be. The assumption of classical damping is not appropriate if the system to be analyzed consists of two or more parts with significantly different levels of damping. The dynamic response of structures is critically determined by the damping mechanisms, and its value is very important for the design and analysis of vibrating structures. An analytical approach that is capable of evaluating the equivalent modal damping ratio from structural components is desirable for improving seismic design. Two approaches are considered to define and investigate dynamic characteristics of a composite tower of cable-stayed bridges: The first approach makes use of a simplified approximation of two lumped masses to investigate the structure irregularity effects including damping of different material, mass ratio, frequency ratio on dynamic characteristics and modal damping. The second approach employs a detailed numerical step-by-step integration procedure.     

非经典阻尼分布参数系统复振型叠加方法

附加减震装置的一维杆或剪切梁模型属于非连续的非经典阻尼分布参数系统。对于它的动力分析,通常是建立分段的运动方程,然后利用各段动力反应的实振型叠加形式和连续条件进行动力计算。这是一种实模态综合方法,尽管它可以求得近似的动力反应,但反映不出阻尼对整体系统动力特性的影响。为了考虑附加减震装置引起的阻尼和刚度非连续性,基于广义函数理论,建立了整体系统的无量纲化运动方程,利用Laplace变换推导了振型函数和特征值方程,并给出了振型函数的正交条件,最终导出了适用于非经典阻尼分布参数系统的复振型叠加方法。由于特征值方程为复杂的超越方程,为了同时求出多个自振频率,建议了一种基于柯西积分定理的等效多项式方法。这种方法将自振频率转变成了线性代数方程组的求解,更简便、实用。最后以基底隔震分布参数系统为例,展示了复振型叠加法的应用,同时对隔震结构设计得出了有益的结论。给出的复振型叠加法是传统的经典阻尼连续系统实振型叠加法的推广,具有一定理论意义和应用价值。     

复阻尼模型结构地震时程响应研究

阻尼是结构动力分析的重要参数,对动力响应计算的结果有明显影响。目前,结构动力响应分析中的阻尼模型大都采用的是传统的Rayleigh阻尼模型,这种模型是为计算解耦而构造出的,其物理意义不是很明确。该文根据复阻尼系统理论,利用Newmark-β积分法,编制了Rayleigh阻尼和复阻尼模型的三维有限元程序。以三维钢框架结构为研究对象,计算了两种阻尼模型的结构地震时程响应和复阻尼模型的损耗因子,并讨论了不同加速度峰值和时间积分步长对复阻尼结构响应和损耗因子的影响。研究表明:在加速度峰值为2m/s2的El-Centro波作用下,两种阻尼模型的响应相差50%―100%,后者的结构动力响应远大于前者,损耗因子随应力或位移的增大而增大;复阻尼模型结构动力响应和损耗因子的稳定性和精度,与时间积分步长密切相关,不合适的时间积分步长将导致结果发散。