大跨拱桥三维多点随机地震响应分析

对大跨度钢管混凝土拱桥进行三维正交地震动多点激励下的平稳随机响应分析.建立了跨径308m中承式钢管混凝土拱桥的精细有限元模型,采用多维多点平稳随机地震响应分析方法,数值仿真了该拱桥在一维P波、一维SH波、一维SV波多点激励下的地震响应以及考虑互谱的三维多点激励地震响应,研究了三维地震动、行波效应和部分相干效应对拱肋内力的影响.数值分析结果表明:考虑地震动的空间效应对拱肋内力有很大改变,地震动的行波效应对拱肋内力的影响比部分相干效应的影响更大,三维地震作用比单维地震作用的拱肋内力有较大增幅.对大跨度钢管混凝土拱桥,必须进行多维多点地震激励的响应分析,否则有可能严重低估结构的地震设计内力.     

行波效应对深水连续刚构桥地震响应的影响

跨海或库区的大跨度桥梁在地震作用下不仅需要考虑水体与桥墩的动力相互作用,同时由于各桥墩间跨度较大应考虑地震输入的行波效应。该文采用辐射波浪理论求解桥墩地震动水压力,建立了考虑地震动输入空间效应的深水桥梁地震响应分析方法,并考虑行波效应对深水连续刚构桥进行地震响应分析。研究表明:动水压力增大了桥梁结构的地震响应,其影响程度随着输入地震波和墩梁约束条件的不同而有所差异;考虑行波效应时地震动水压力对桥梁结构动力响应的影响较一致激励而言有所差别,同时地震动水压力对桥梁地震响应的影响随着视波速的不同而变化。由此得出结论,为合理评价地震动水压力对深水长大桥梁动力响应的影响应考虑地震动输入的行波效应。     

视波速确定方法与行波效应研究

通过对地震波在单一土层和不同土层之间传播规律的研究,提出基于岩土层剪切波速的视波速计算方法,并给出多土层视波速简化计算公式,便于工程应用。对于均质土层,地面某点的视波速仅与该点震源深度、震中距和土层的剪切波速有关,视波速恒大于剪切波速。采用结构中点的视波速取代根据其两端点得到的视波速,可以避免结构各方向长度不同的影响,计算简便,误差可以忽略不计。在震源深度范围内,地壳厚度通常远大于覆盖层厚度,多土层的等效剪切波速与震源所在岩层剪切波速较为接近,场地类别对视波速的影响较小。算例结果表明,文中给出的多土层视波速简化计算方法,与视波速方程数值解的误差一般在5%以内。根据95%构件内力影响系数的最大值确定地震行波效应的放大系数,可以避免由于构件内力过小引起行波效应异常增大。厦门新机场分析结果表明,考虑多点激励地震效应后,航站楼结构底部总剪力变化很小;虽然框架柱、支承屋盖钢管柱和大跨度屋盖杆件内力的平均值减小,但部分构件内力可增大约5%~10%。     

几何非线性与徐变共同作用下三维杆系结构有限元分析

几何非线性与徐变均为大跨或高耸柔性混凝土结构分析中必须考虑的重要因素,而现有计算方法通常只单独考虑,而未考虑两者的共同作用。基于几何非线性分析的随转坐标法和徐变效应分析的初应变法,该文首先建立三维梁元在随转坐标系下计入初应变效应的几何非线性平衡方程;再利用静力平衡原则,导出三维梁元在结构坐标系下同时考虑几何非线性与徐变的平衡方程,提供了详细的分析流程,编制了相应的非线性计算程序。以某大跨径混合梁斜拉桥混凝土桥塔为例,进行了考虑混凝土徐变效应的几何非线性分析;结果表明,无论是几何非线性还是徐变,单独考虑时得到的内力和位移结果均小于考虑两者共同作用得到的结果,因此在大跨或高耸柔性混凝土结构分析中考虑几何非线性与徐变共同作用是很有必要的。     

多维地震下双塔楼结构框架梁行波效应分析

考虑水平向和竖向地震波的行波效应,对北京LG大厦进行了时程分析,给出了该结构典型梁的内力信息并与在一致激励下的地震反应进行比较分析,探讨了这些梁截面的地震内力在地震行波作用下的变化规律。在进一步分析结构静力反应的基础上,分别得出结构在一致地震和行波地震作用下的抗震设计内力值,考察它们之间的差异,分析了不同的地震激励方式对结构抗震设计的影响,得出了一些有工程实践意义的结论。     

考虑土-结构动力相互作用的冷却塔地震响应分析

大型高耸钢筋混凝土冷却塔属于典型的风敏感型结构,近年来在地震、飞机撞击、爆破等极端外部作用下动力响应研究也得到了工程界的广泛关注。土-结构动力相互作用效应(Soil Structure Interaction,SSI)对于大坝、桥梁等类型工程结构地震响应的影响研究成果较为丰富,而对冷却塔结构体系的影响程度方面很少涉及。依据弹性波动理论结合有限单元法,建立和推导了考虑土-结构动力相互作用的三维黏弹性人工边界模型和公式,并通过半空间自由场模型验证该地震动输入方法的准确性。以国内实际工程项目——某火电厂大型冷却塔为研究背景,以通用有限元程序ANSYS为平台,分别建立了冷却塔刚性地基模型、无质量地基模型和黏弹性人工边界模型,开展模态分析及弹性时程分析,研究不同计算模型相应的动力特性及内力变化,探讨了土-结构动力相互作用的影响规律。研究结果表明:考虑刚性地基,冷却塔结构体系自振频率分布十分密集,绝大多数振型为环向谐波和子午向谐波组合的局部振型;考虑弹性地基后,结构的自振频率略有降低,整体振型较早出现。通过时程分析可知,采用黏弹性人工边界模型,考虑无限地基辐射阻尼效应,与刚性地基模型相比,塔筒的绝对加速度最大值降低43.4%,塔筒沿子午向弯矩轴力幅值降低约50%,而环向内力却均显著提高,X支柱内力幅值降低约20%~50%.因此,在进行冷却塔地震响应分析时,土-结构动力相互作用的影响不可忽视。     

地震作用下高耸结构动力响应波动分析方法

针对高耸结构沿高度方向进行空间离散并构造出控制体,基于Timoshenko梁理论,建立控制体的动力学方程。在时间域上交替运用控制体动力学方程和剪力-位移关系式、弯矩-转角关系式,提出一种研究地震作用下高耸结构动力响应的波动分析方法。利用所提出的方法对南京电视塔在地震作用下的动力响应进行分析,计算结果表明:南京电视塔受地震作用时,大塔楼处位移峰值大于有限元方法的计算结果,大塔楼处出现转动惯性力矩峰值,研究高耸结构的地震响应问题时不应忽略转动惯性的影响。所提出的方法为研究地震作用下高耸结构的动力响应问题提供了一种有效的途径。     

框架结构水平向动力频散特性研究

框架结构可看作其标准层结构沿竖向堆积而成的一种周期结构,这种几何周期性赋予了框架结构一些独特的动力特性。首先,基于结构设计理论提出框架结构频散特性简化计算模型,结合Bloch-Floquet定理和波动控制方程推导框架结构频散方程,将有限单元法拓展应用于频散关系计算并给出了一钢筋混凝土框架结构的频散曲线;其次,模态分析讨论了框架结构的频散特性,并给出了两种衰减域边界频率简化计算方法(简化模型法和等效单自由度体系法);最后,通过有限周期框架结构谐响应分析验证了周期结构理论分析框架结构的合理性。     

任意载荷激励下梁单元的局部效应修正

本文推导了在任意荷载激励下梁单元局部效应的修正公式,在不同荷载激励下对结构进行动力响应分析,计算结果表明,考虑局部效应可以使动内力计算结果更为精确。在进行大型复杂结构的动力响应分析时,通过考虑局部效应,可在计算模型大大简化的同时,获得较为精确的计算结果。     

行波效应对大跨上承式铁路钢桁拱桥地震反应的影响

为研究行波效应下铁路大跨钢桁拱桥地震反应的影响规律,以某490m钢桁拱桥为研究对象,采用SAP2000软件建立全桥动力计算模型,进行了非一致激励下地震响应分析。基于相对运动法的基本原理及位移输入模式,有效分离了行波效应下的拟静力分量和动力分量。结果表明:行波效应对大跨上承式铁路钢桁拱桥的地震反应影响显著,从影响杆件区域范围及量值两个角度衡量,行波效应对拱圈弦杆轴力的影响明显大于对应弯矩的影响。行波效应将使拱顶弦杆轴力显著增大,若不考虑行波效应,将严重低估拱顶杆件的内力响应。与一致激励相比,行波效应使拱顶区域的竖向位移显著增大,使拱顶区域的纵向位移减小。拟静力分量对拱顶纵向及竖向位移影响显著,尤其对拱顶纵向位移。随着视波速的增加,拱顶纵向位移拟静力分量逐渐增大,而竖向位移拟静力分量逐渐减小,拱顶纵向及竖向位移的拟静力分量均与动力项同向,导致总位移均明显大于对应的动力位移。     

行波效应对大型水电站厂房地震响应的影响

为研究行波效应对平面尺寸较大的水电站厂房结构地震响应的影响,选取某实际厂房结构,建立三维有限元模型,借助ABAQUS有限元软件,采用振型分解时程分析法进行结构动力计算。调整Koyna水平地震波加速度峰值为0.246g作为地震荷载。结果表明行波效应影响厂房结构位移响应主要体现在动位移峰值上,波速不大时可能使动位移峰值最大减小25%;对加速度响应峰值和响应时程影响都较明显,波速较小时可能使得结构加速度峰值滞后于地震加速度峰值出现;不考虑行波效应对厂房结构设计是偏安全的。如工程所在地地震波传播速度不大,可以适当考虑行波效应,以使结构设计更趋科学合理。     

单质点弹性体系建筑结构的爆破地震动力响应分析研究

目前爆破地震效应研究主要集中在爆破地震波在岩土介质的传播规律和爆破振动实测数据的经验公式回归分析等方面的研究,而对爆破地震作用下的建筑结构的动力响应研究很少.建筑结构的爆破地震动力响应分析属于结构动力学的范畴.这里运用结构动力学理论,对单质点弹性体系建筑结构的爆破地震动力响应进行了研究,建立了单质点弹性体系建筑结构的爆破地震运动方程,并导出了单质点弹性体系建筑结构的爆破地震运动方程的解,最后给出了反应谱法求解爆破地震作用力的计算公式.这些研究成果为爆破地震作用下建筑结构的动力响应特性及其安全评估分析提供了一定的理论基础.     

大跨度空间结构多维多点非平稳随机地震反应分析

对大跨度空间结构进行三向正交地震动多点激励下的非平稳随机地震反应分析。建立了多维多点随机非平稳地震动激励下的地震反应分析方法,并针对大跨度空间结构引入了波前法进行简化计算。数值仿真分析了天津奥林匹克中心体育场屋盖结构分别在一维随机地震动或三维随机地震动的一致激励、行波激励以及考虑部分相干效应和地震非平稳性的多点激励下的地震反应,结果表明:考虑地震动空间效应会使结构控制杆件内力增大约30%;考虑部分相干效应会使结构杆件内力变化约10%;考虑多维地震输入会使结构控制内力增大约15%;考虑地震动的非平稳性会使结构杆件内力减小约35%。由此可以得出结论,对于大跨度空间结构的地震反应分析,必须考虑地震动的多维输入和多点激励;然而不考虑地震动的非平稳性,其抗震设计偏于安全。     

任意载荷激励下梁单元

本文通过对任意荷载激励下梁单元局部效应的修正,探讨了不同荷载激励下结构的动力响应,计算结果表明,考虑局部效应可以使动内力计算结果更为精确.在进行大型复杂结构的动力响应分析时,通过考虑局部效应,可在计算模型大大简化的同时获得较为精确的计算结果.     

任意载荷激励下梁单元的局部动力效应分析

本文通过对任意荷载激励下梁单元局部效应的修正,探讨了不同荷载激励下结构的动力响应,计算结果表明,考虑局部效应可以使动内力计算结果更为精确。在进行大型复杂结构的动力响应分析时,通过考虑局部效应,可在计算模型大大简化的同时获得较为精确的计算结果。     

连续曲线箱梁预应力效应分析

本文通过预应力曲梁微元体的平衡方程,将作用于微元体上的预应力以一组等效荷载来代替。然后根据薄壁曲梁空间翘曲单元的刚度矩阵和各类荷载作用下固端力计算公式［１］,应用矩阵位移法分析曲梁中的预应力效应。计算预应力损失时,考虑了反向摩擦影响。结合某工程实例计算了由预应力引起的结构内力和变形。     

高耸柔性建筑结构非平稳非线性动力方程统计线性化分析的等效参数计算

采用统计线性化分析方法,研究了高耸柔性建筑结构在非平稳地震激励下考虑几何非线性效应时等效参数的计算方法,推导了等效参数阵以等效参数向量的有限单元计算表达式,解决了统计线性化分析方法应用于大型复杂结构非线性随机响应分析的关键问题,并采用迭代的计算方法对洛阳电视塔结构的非零均值非平稳时变系统的响应进行了计算。     

弹性DEM方法在杆系结构中的应用研究

基于颗粒离散元方法（DEM）,结合杆系结构的特点,提出了一种适于杆系结构问题分析的DEM模型。对颗粒元相应的质量和转动惯量计算公式进行了修正;通过能量等效原理推导了杆系DEM模型分析时弹簧接触刚度系数表达式;将瑞利阻尼引入到DEM方法之中,给出了阻尼常数计算公式并用算例进行了验证。将该方法应用于杆系结构弹性分析,包括静动力与几何非线性大变形问题的空间框架结构和网壳结构等多个算例,计算结果与有限元方法结果吻合良好。DEM方法的特点是将动力分析和几何非线性分析自动包含在运动方程的计算之中,不用组集刚度矩阵,无需迭代求解。杆系DEM模型非常适宜处理杆系结构大变形及动力非线性问题,尤其是在结构进入强非线性之后的模拟分析。     

风载作用下锅炉构架动力特性有限元分析

对风载作用下电站锅炉构架钢结构的动力特性进行了研究。针对工程实例,运用空间梁单元有限元方法建立了锅炉构架的三维结构模型;考虑风荷载作用,应用ANSYS软件对锅炉构架钢结构进行了静力计算分析;用Lanczos向量迭代法求解自振方程,研究了电站锅炉构架钢结构的自振特性;用反应谱法进行动力响应分析,计算结果表明,风载作用下结构的内力和变形较小,且满足设计规范要求。     

弹性结点结构的内力计算

本文视某些结构的全部或部分结点为弹性结点，对此类弹性结点结构的内力计算进行了探讨，给出了杆端为不同弹性约束时的等直杆转角位移方程，举例说明了用位移法求解此类结构内力的方法步骤。