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。     

层间隔震结构的能量平衡

从能量观点出发,引入设计用能量谱的概念,分析了地震输入能量在层间隔震结构中的分配和耗散。推导出了基于能量平衡的层间隔震结构的隔震层总剪力、最大变形以及基底剪力的地震响应预测式,分析了隔震层刚度、阻尼以及隔震层的设置位置等参数对层间隔震结构减震性能的影响,并阐明了其自身的减震控制机理。研究表明,基于能量平衡的分析方法是一种预测层间隔震结构地震响应和评价其减震性能的有效手段。     

计算近场地震作用下隔震结构支座破坏易损性曲线的概率凸集混合模型

用凸集模型模拟隔震结构参数的不确定性,而用随机模型模拟地震动输入的不确定性,提出了计算近场地震作用下在考虑双不确定性因素时隔震结构支座发生破坏的易损性曲线计算新方法;计算结果将给隔震支座力学参数的设计提供参考;通过计算对比可知,若不考虑结构参数不确定性将低估隔震支座破坏的地震易损性;对计算实例中基底最大位移敏感度分析发现,隔震支座的力学参数(如屈服力、屈服后刚度等)对基底最大位移影响较大,上部结构质量的影响次之,而上部结构的刚度对其影响不大;此外,本文的研究内容也为考虑结构参数和输入地震动双不确定性因素的情况下,计算各类结构地震易损性曲线提供了一种新的思路和途径。     

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。     

多层剪切型滞后结构在地震干扰下的动力可靠性分析

本文解决了受地震干扰的多层滞后剪切型结构基于层延性首次超越破坏机制动力可靠性的计算方法。文中,在建立了剪切型结构的“滑移——滞后”模型的前提下,求得了地震作用下滞后结构的等价线性体系。并从等价线性体系出发,以振型分解法为基础,建立了结构相对层位移和相对层速度的联合概率密度函数。据此,本文应用随机点集理论和级数解法得到了地震作用下结构动力可靠性的计算公式。为了验证公式的精度,文中对一个二层剪切型框架进行了计算与模拟结果的比较。     

MRD与滑移隔震混合控制结构及其优化设计

为了改善滑移隔震结构的减震效果和适用范围,提出3种磁流变阻尼器(MRD)与滑移隔震混合方案,建立了MRD与滑移隔震混合控制结构的动力分析模型,对6层MRD与滑移隔震混合控制结构进行地震反应分析。MRD与滑移隔震混合结构的3种混合方案的相对加速度峰值、相对速度峰值、相对位移峰值和层间剪力峰值分别比滑移隔震结构有不同程度的降低,而混合方案3的控制效果更加明显。在此基础上,建立了MRD与滑移隔震混合结构优化设计模型,采用IHGA程序对结构进行优化设计。结果表明,MRD与滑移隔震混合结构的各项地震反应均得到了更好地控制。     

多自由度复杂结构的TMD调谐减震控制研究

给出多自由度复杂结构中调谐减震控制TMD的有效设计方法.通过分析发现简谐基底激励作用下的TMD最优参数并非减震控制的最佳选择,主要区别是减震控制时TMD的最优阻尼比要显著小于简谐基底激励下的最优阻尼比.在随机地震激励下给出用于确定减震控制TMD最优参数的方法.据此进行了三相叠积电抗器的减震TMD设计,确定了最优减震参数,通过分析实际地震波作用下的结构响应,表明所设计的TMD在地震动作用下对三相叠积电抗器有十分明显的减震效果,证实用本文方法可以有效地对多自由度复杂结构设计TMD进行减震控制.     

设防烈度下非比例阻尼结构地震随机响应峰值区间估计方法

建立与抗震规范设防水准相一致的地震动随机模型,给出了非比例阻尼结构体系地震反应运动方程,推导了非比例阻尼结构体系分析的复振型时域闭合解和地震随机响应的闭合解.通过随机响应的峰值因子和变异系数获得了非比例阻尼结构体系的地震随机响应峰值均值和方差,提出了设防烈度下非比例阻尼结构体系随机响应峰值区间估计方法.计算31条实际地震记录的复振型时域闭合解,并与地震随机响应的闭合解进行了比较,算例结果表明随机响应峰值区间估计方法的合理性和有效性.地震响应区间分析方法将是工程抗震设计的一个重要方法.     

地下爆炸冲击波引起的基底滑移隔震建筑的动力响应

对埋置在土体中的圆形衬砌内发生意外爆炸引起的附近地表的滑移隔震建筑 (考虑了土 结构相互作用 )的动力响应进行了研究。在土 结构相互作用分析中 ,分别采用有限元、无穷元和集中质点体系建立了衬砌周围的有限土区、四周的无限土区以及基底滑移隔震建筑的计算模型 ;在基底滑移隔震分析中 ,提出了用连续摩擦力模型取代传统的库仑摩擦力模型 ,避免跟踪啮合滑移的过渡边界并可减小计算误差。通过数值模拟 6层基底滑移隔震建筑在遭受地下爆炸冲击波作用且考虑土 结构相互作用所产生的动力响应 ,分析了基底滑移隔震效果以及不同隔震参数对隔震效果的影响 ,为相关的理论研究和工程实践提供了依据。     

考虑竖向地震作用的振动控制及其优化研究

目前,MRD结构的分析通常只考虑水平地震动而不考虑竖向地震动的影响,地面的水平运动和竖向运动具有相关性,从而影响控制效果．因此对双向地震耦合作用下MRD结构的理论进行研究,建立动力分析模型并得出运动微分方程．以8层MRD结构为例进行地震反应分析,研究表明,考虑和不考虑竖向地震作用,MRD对结构均有良好的控制作用,但是竖向地震作用的存在,使结构各层的层间位移峰值有不同程度的增加,其增量随着竖向地震作用的增加而增加,因此建议在高烈度地区的建筑物考虑竖向地震作用对结构的影响．建立MRD结构优化设计模型,采用IHGA程序对结构进行优化设计．结果表明, MRD结构在各种工况下的各项地震反应均得到更好的控制．     

基础滑移隔震体系的地震响应计算

利用随机振动理论求出了基础滑移隔震房屋在无频谱过程的白噪声过程作用下的响应特性，探讨了基础滑移隔震的振动时最佳阻尼系数取值，提出了基础最大滑移量在白噪声过程作用下的计算公式，并进行了基础滑移隔震位移量的试验测定。计算结果与试验结果表明，本文提出的基础滑移隔震体系的计算公式是可行的，为滑移隔震房屋设计证结构安全、合理提供了理论依据。     

调液阻尼器对结构扭转耦联振动控制的优化设计

提出了利用调液柱型阻尼器(Tuned Liquid Column Dampers,简称TLCD)和环形调液阻尼器(Circular Tuned Liquid Column Dampers,简称CTLCD)来控制偏心结构在多维地震作用下扭转耦联振动的方法。采用遗传算法,在双向地震作用下,对调液阻尼器的相关参数进行优化。选取了两种目标函数,一种只考虑最大的楼层反应,另一种考虑结构所有自由度的反应。用一个12层的偏心结构作为算例,进行优化计算,结果表明,采用第二种目标函数得到的阻尼器的参数,能有效降低结构的平动反应和扭转反应。     

论不确定性结构力学的发展

结构力学是直接为工程结构设计服务的,而工程设计中包含大量不确定性因素和信息,包括随机性、模糊性和未确知性信息.由于引用统计数学方法处理随机性问题,在结构力学中产生了可靠性理论和随机振动理论.随着模糊性和未确知性问题的提出和研究,近年来在结构力学中又逐渐形成了一些新的分支,包括结构的不确定性优化设计,广义(模糊随机)可靠性理论,模糊随机振动理论和模糊地震工程学等.本文简要地介绍这四个新的分支的发展情况,主要介绍作者及其学生们的工作,并着重介绍基本概念.      

STOCHASTIC OPTIMAL CONTROL OF HYSTERETIC SYSTEMS UNDER EXTERNALLY AND PARAMETRICALLY RANDOM EXCITATIONS

A stochastic optimal control method for nonlinear hysteretic systems under exter-nally and/or parametrically random excitations is presented and illustrated with an example ofhysteretic column system.A hysteretic system subject to random excitation is first replaced bya nonlinear non-hysteretic stochastic system.An It stochastic differential equation for the to-tal energy of the system as a one-dimensional controlled diffusion process is derived by usingthe stochastic averaging method of energy envelope.A dynamical programming equation is thenestablished based on the stochastic dynamical programming principle and solved to yield the op-timal control force.Finally,the responses of uncontrolled and controlled systems are evaluatedto determine the control efficacy.It is shown by numerical results that the proposed stochasticoptimal control method is more effective and efficient than other optimal control methods.     

Seismic behaviour of isolated multi-span continuous bridge to nonstationary random seismic excitation

This paper concentrates on the results of responses of a multi-span continuous bridge isolated with double concave friction pendulum bearings subjected to non-stationary random seismic excitation characterized by the incoherence, the wave-passage, and the site-response effects. The earthquake excitation is modelled as a non-stationary random process as uniformly modulated broad-band excitation. To perform the seismic isolation procedure, the double concave friction pendulum bearings which are sliding devices that utilize two spherical concave surfaces are placed at each of the six support points of the deck. The non-stationary response of the isolated bridge is compared with the corresponding stationary response in order to study the effects of non-stationary characteristics of the earthquake input motion. Solutions obtained from the stationary and non-stationary stochastic analyses for the isolated bridge to spatially varying earthquake ground motions are compared for the special cases of the earthquake ground motion model. The spatially varying earthquake ground motions are described stochastically based on an empirical coherency loss function and a filtered power spectral density function. The site effect is considered by a transfer function derived from one dimensional wave propagation theory. It is observed that the stationary assumption is reasonable for the considered ground motion duration.     

基于功能的基础隔震结构一体化优化设计

“投资-效益”准则作为基于功能的抗震设计的一个基本原则，反映了现代结构抗震设计思想的一个重要转变，即从以往只注重结构安全，向全面注重结构的功能、安全及经济等诸多方面发展。本文根据“投资-效益”准则，建立了基于功能的基础隔震结构一体化优化设计模型，其中目标函数考虑了结构生命周期内的总造价，包括结构初始造价和不同发生概率的大震、中震、小震作用下的结构损失期望，约束条件包括隔震层水平位移、上部结构层间变形等，优化过程中同时对上部结构截面尺寸和隔震器参数进行优化。算例表明，本文建立的基于功能的隔震结构优化模型是合理可行的，可为实际隔震结构的优化设计提供参考。     

考虑扭转耦联效应的附属结构最优位置分析

实际建筑物大多为偏心结构,扭转耦联效应使同层楼板上不同位置处附属结构的动力响应也不相同,通常存在一个平面最优位置.本文建立了主附结构体系的扭转耦联模型,利用复模态理论和模式搜索方法研究了影响附属结构最优位置的几个重要因素,包括地震输入方向、场地类别、主体结构偏心、附属结构质量、频率及阻尼比等,通过数值分析得出了一些有益的结论.     

单自由度体系地震动力响应的混沌特性分析

引入非线性动力学理论和混沌时间序列分析方法考察地震动作用下单自由度体系动力响应的混沌特性。输入典型近断层地震动记录,定量计算了代表性周期的单自由度弹性和非弹性体系加速度响应时程的非线性特性参数。计算表明,这些加速度响应的关联维数为分数维,最大Lyapunov指数大于0;地震动激励下单自由度体系的地震动力响应具有混沌特性,不是完全的随机信号,为理解结构地震动力响应的不规则性与复杂性提供了新思路和新视角。