基于混合近似法的纤维梁单元非线性求解方法#br#

环境荷载作用下土木工程结构往往产生较大的非线性变形,包括材料非线性和几何大变形两部分,而两者非线性问题的数值求解往往需要花费高昂的计算代价。隔离非线性有限元法是将材料应变分解为弹性与塑性两部分,在控制方程中实现刚度矩阵的弹塑性分离,使用Woodbury公式进行非线性求解。目前,该方法仅用于求解局部材料非线性问题。文章基于隔离非线性有限元法,推导同时考虑材料和几何非线性（简称混合非线性）的纤维梁单元控制方程;依据Woodbury公式和组合近似法的基本理论,提出混合近似法的高效非线性求解方法,并利用时间复杂度理论,对该方法与传统有限元法进行计算效率对比分析;将提出的方法应用于某钢框架结构的地震非线性反应分析,计算结果表明：文中方法可以在求解材料非线性时考虑几何大变形问题,在保证计算精度的同时使计算效率得到明显提升。     

低延性中心支撑钢框架结构振动台试验

中心支撑钢框架结构是一种典型的双重抗侧力体系，强震作用下支撑失效会引起结构承载力和刚度的折减，支撑失效后，结构剩余部分作为储备体系能够继续承担地震作用。为深入了解低延性中心支撑钢框架结构在地震作用下的非线性反应，研究在支撑失效后结构储备体系的抗震性能，开展了3层中心支撑钢框架结构模型的振动台试验。模型结构为3榀2跨结构，中间榀布置一跨低延性人字形中心支撑(截面宽厚比超出我国规范限值)，模型长度缩尺比为1∶6.5，分别采用硬土、软土场地的地震波单向激励，峰值加速度逐级增加。结构在7度罕遇地震作用下发生底层支撑失效，储备体系避开了硬土场地地震波的卓越周期，加载至超过9度罕遇地震后依然未出现明显损伤。储备体系对软土场地地震波(宁河波)更为敏感，在8度罕遇地震作用下濒临倒塌。结构2、3层支撑始终未发生屈曲和破坏。研究结果表明，当储备体系设计合理时，低延性中心支撑钢框架结构具有良好的抗震性能和抗倒塌能力。     

村镇砌体建筑群信息智能获取与震害预测

我国村镇地区砌体结构分布广、数量大、抗震性能普遍较差,且具有结构形式多样、无数据和随机性强等特点,获取其建筑信息是实现震害预测的前提和基础,但传统人工检测技术效率低、不经济。为此,提出了一种图像识别与模糊推理相结合的村镇砌体建筑群信息智能获取方法。建立了基于卷积神经网络的砌体建筑图像识别模型,结合图像测量技术获取建筑几何信息;提出了基于模糊推理的砌体结构隐蔽信息确定方法,可有效提取村镇砌体结构墙体属性、构造措施、材料强度等隐蔽属性信息;依据获取的建筑信息与场地信息,分别建立单体结构力学模型与空间地震动场模型,通过结构地震动力响应分析实现村镇区域砌体建筑群的震害预测。最后,对北方地区某村落进行群体建筑信息获取和震害预测,结果表明,基于影像数据的图像识别和图像测量技术可以有效获取村镇建筑结构类型以及外观尺寸信息,提出的模糊推理方法可以高效、准确地识别砌体建筑群的隐蔽信息,进一步通过对震害场景的数值模拟,实现村镇区域群体建筑震害的有效预测。     

长耗能梁-偏心支撑机制对中心支撑钢框架结构抗震性能的影响

为研究地震作用下人字形中心支撑钢框架结构因支撑的部分失效导致的长耗能梁-偏心支撑机制对结构抗震性能的影响,基于ABAQUS建立了6层人字形中心支撑钢框架结构数值模型,开展了增量动力分析与易损性分析,对比了考虑与不考虑长耗能梁-偏心支撑机制时结构抗倒塌性能的差异,分析了结构的损伤演化过程。结果表明:长耗能梁-偏心机制改变了结构的失效过程,抑制了薄弱层的产生与发展,对结构抗震性能具有显著影响,算例结构的倒塌富余度提高20%以上; 梁的抗弯刚度对长耗能梁-偏心支撑机制具有一定影响,较大的刚度将不利于该机制的形成,降低了结构的抗倒塌能力; 在人字形中心支撑钢框架结构体系的设计与分析中,宜考虑长耗能梁-偏心支撑机制,否则将低估结构的抗倒塌性能。     

输电铁塔在冰风耦合作用下失效概率分析

覆冰灾害严重威胁输电线路的安全运行。在冰灾过程中,往往伴随着风荷载的作用,为提高输电塔抵御覆冰灾害的能力,提出了一种基于Jones覆冰模型的输电铁塔失效概率评估框架。首先以湖南郴州、永州、邵阳3市气象站数据为基础建立了超级站,在此基础上利用Copula函数建立了考虑冰厚-风速、风速-风向相关性的联合概率分布,最后以一条实际输电线路为算例,计算了该线路铁塔在冰风荷载耦合作用下倒塌状态的失效概率。结果表明,提出的方法可以有效地评估输电塔在冰风耦合作用下的失效概率,考虑冰厚-风速、风向-风速相关性后,输电塔失效概率的计算更加科学合理。受风向概率的影响,输电塔失效概率的最大值出现的角度并不固定,该文章可为输电线路抗冰灾设计提供参考。     

多层中心支撑钢框架结构抗震性能简化评估方法

中心支撑钢框架结构是一种典型的双重抗侧力体系,在强震作用下支撑失效会引发结构承载力和刚度的折减,其复杂的恢复力模型使得此类结构抗震性能的评估成为难点。为解决该问题,提出了多层中心支撑钢框架结构储备体系参数的概念及其计算方法,即通过对中心支撑钢框架结构进行推覆分析,将结构转化为等效单自由度体系,同时确定整体结构体系失效过程,进而确定储备体系和储备参数。结合中心支撑钢框架结构延性需求谱,建立了考虑能力储备的多层结构抗震性能简化评估方法,即"能力储备法",该方法可有效评估中心支撑钢框架结构体系抗倒塌性能、延性与变形。采用该方法分析了2个5层中心支撑钢框架结构的抗震性能,并与非线性时程分析结果进行对比。分析表明,能力储备法可对多层中心支撑钢框架结构层间延性和顶点位移进行较准确的预测。     

格栅式摩擦阻尼器的试验研究与数值模拟

位移型阻尼器具有较小的屈服后刚度,在大震下会出现刚度的突然减小,出现明显的损伤集中现象,造成修复成本较高。提出了一种由多种耗能单元组成的新型格栅式摩擦阻尼器,该装置具有屈服后硬化刚度、双重耗能机制、多节点耗能等特点。对耗能单元设计了含6组试件的系数比测定试验和2组试件的耗能单元拟静力试验,并建立了数值模型。系数比测定试验表明:与黄铜摩擦材料相比,无石棉树脂摩擦材料性能更稳定、摩擦出力大;无石棉树脂材料系数比逐渐减小至恒定值,而黄铜材料系数比先增后降至恒定值。通过耗能单元的拟静力试验发现,平动摩擦和转动摩擦行为协同工作良好,耗能单元具有预期的屈服后刚度硬化行为,表现了多阶段耗能特性;其出力中各组分比例可通过控制试件设计参数(如截面尺寸、杆件数量和施加扭矩)进行调整。最后建立了实体单元数值模型,表明数值模拟结果与试验值吻合较好。     

考虑非线性行为相似的高层结构动力试验模型简化设计方法研究

随着物理试验技术的快速发展,结构模型试验可较准确获得结构在环境荷载作用下的动力响应,但在土-结相互作用、区域群体结构、大型复杂结构的风洞、拟静力及动力等模型试验问题研究中,简单、实用、准确的结构试验简化模型仍是研究的重点。针对现有模型简化方法中非线性力学参数标定复杂、试验可行性不足等问题,提出了一种考虑非线性行为相似的高层结构动力试验模型简化设计方法,将模拟高层结构的弯、剪恢复力模型分解为线性和非线性行为的组合,其中结构非线性行为采用库仑摩擦模型模拟,因其参数简单,具有一定物理意义,可直接适用于缩尺模型动力试验研究中。基于上述理论方法,将弯剪耦合模型和平扭摩擦装置有效结合,提出了用于缩尺动力试验的物理模型设计方法及等效刚度、屈服后刚度和承载力等参数的计算方法,并建立了对应的“层间双剪切、双弯曲弹簧”力学计算模型,可通过模型试验结果较好地预测原型结构弹性及非线性阶段的动力响应。以某高层结构为例,通过数值模拟和振动台试验验证了该方法的准确性和可行性。     

地震-洪水作用下山区临河建筑抗灾性能评估方法研究

我国西南地区是地震高发区,且河网密布,山高谷深,降雨充沛,汛期发生地震可能伴随暴雨洪水发生,山区临河建筑存在遭受地震和洪水相继作用的风险。针对西南山区临河建筑群,基于贝叶斯网络模型,提出了地震-滑坡-堰塞湖溃决洪水灾害链的发生概率推算方法;综合考虑洪水危险性、环境敏感性、洪水和建筑间相互作用,引入建筑洪灾暴露度指标,建立了临河建筑群洪灾危险性分析模型,实现了震损结构在洪水冲击作用下的损伤分析,最终建立了地震-洪水相继作用下临河建筑群抗多灾性能评估方法。算例分析结果表明：震损建筑遭受洪水冲击时的破坏情况与建筑的空间位置和环境条件显著相关;地震后洪水对震损结构造成的累积损伤不可忽视;所建立的评估方法可以有效预测我国西南地区临河建筑群在地震和洪水相继作用下的损伤情况。     

考虑交通阻滞的区域建筑震后功能恢复能力评估

地震作用下基础设施工程的损毁将造成所在区域功能瘫痪,对其功能恢复能力进行准确评估可为救援和重建工作提供重要参考。震后区域建筑功能恢复不仅与建筑物倒塌有关,还依赖于交通系统的阻滞程度,以往针对建筑功能恢复能力评估多集中于量化建筑自身构件的震毁状态和维修费用,尚未考虑交通系统功能修复的影响。该文提出一种可考虑交通阻滞的区域建筑震后功能恢复能力评估方法。通过定义功能损失比,提出建筑震后残余功能计算方法;基于交通链路功能重要度指标,建立同时考虑建筑物破坏和地震次生灾害双因素影响的交通阻滞分析模型。结合交通阻塞度和建筑残余功能定义单体建筑功能恢复时间计算方法,并依据水平串联型恢复路径,建立考虑交通系统功能耦联的区域建筑功能恢复能力评估体系。以某村镇为例进行区域建筑的震后功能恢复能力评估,分析表明文中方法能全面考虑交通功能对区域建筑恢复的影响,结果更为合理、准确。