非一致地震激励下大跨度桥梁随机振动时域显式法#br#

对于大跨度桥梁结构,地震激励的空间效应不应忽略。考虑到随机地震激励的非平稳特性,为提高计算效率,有必要在时域内直接开展非一致地震激励下大跨度桥梁的随机振动分析。基于相对运动法,推导非一致地震激励下结构动力响应的时域显式表达式,提出可考虑非一致地震激励的时域显式直接法,可快速获取结构响应的统计矩;同时提出高效的时域显式随机模拟法,可进一步获取非一致地震激励下结构响应的平均峰值等更全面的统计信息,并可有效实现结构的动力可靠度分析。以某主跨1200m悬索桥为工程实例,开展顺桥向非一致地震激励下的随机振动分析,分别研究地震激励的行波效应、失相干效应和局部场地效应对桥梁关键响应标准差、平均峰值和结构抗震动力可靠度的影响。研究结果表明,对于该桥主梁跨中和主塔塔顶顺桥向位移,非一致地震激励下的响应标准差和平均峰值均小于一致地震激励下的结果;而对于该桥主塔塔底内力,非一致地震激励下的响应标准差和平均峰值有可能大于一致地震激励下的结果,其中弯矩和剪力的平均峰值增幅分别可达21.6%和19.5%;此外,地震激励的空间效应对该桥的体系失效概率也有较大影响。     

大跨度空间结构抗震分析的非平稳随机振动时域显式法

大跨度空间结构自振频率高度密集,振型耦联作用明显,采用传统振型分解反应谱法计算结构地震响应时,存在振型组合数量大、组合方式不尽合理等问题。采用真正意义的随机振动方法计算大型复杂结构地震响应的需求越来越迫切。时域显式法基于动力响应显式表达式进行随机振动分析,具有良好的计算精度和计算效率,为大型复杂结构的随机振动分析提供了一条有效途径。以时域显式法为基础,在通用有限元软件平台上实现了大跨度空间结构在非平稳地震作用下的随机响应分析。以广州亚运会自行车馆抗震分析为工程应用实例,验证了时域显式法在大跨度空间结构抗震分析中的高效性;同时,计算结果还表明,相对于时域显式法的结果,传统反应谱法的计算结果偏于保守。     

随机地震作用下三维桁架结构拓扑优化

建立了以结构体积最小为目标、指定节点响应方差为约束的优化模型,采用时域显式法分析了随机地震作用下结构响应及其灵敏度,并结合全局收敛的移动渐进线法(GCMMA)求解了结构拓扑优化问题,最后通过三维桁架结构数值算例验证了该拓扑优化的可行性。     

基于时域显式随机模拟的隔震结构易损性分析研究

工程结构的地震易损性分析结果是结构抗震性能评价和地震灾害评估的重要依据，考虑地震激励的非平稳随机过程本质，采用随机振动方法来进行易损性分析更具合理性。针对带隔震基础的多层结构，提出基于时域显式随机模拟的隔震结构易损性分析方法。首先建立求解局部非线性运动方程的显式降维迭代列式，继而与随机模拟相结合，求解层间位移和隔震层位移的首超概率，最终考虑不同地震动强度得到隔震结构易损性曲线。算例结果表明，相比于传统蒙特卡罗方法，基于时域显式随机模拟的方法具有一致的计算精度和明显更高的计算效率，有利于隔震结构易损性分析的工程应用。     

高层建筑地震作用的计算

本文结合规范对地震作用计算的规定、原则及偶然偏心的影响，谈谈高层建筑结构设计在地震作用计算时应注意的问题。     

带TMD的建筑结构非平稳随机地震响应计算

通过直接积分和模态叠加两种方法研究了带TMD结构均方非平稳随机地震响应的数值计算方法。应用非平稳随机响应问题的统一解法理论,并引入常用的微分方程数值积分Runge Kutta方法,解决了复杂的非平稳随机响应问题,计算实例说明了该方法的有效性。探讨了设计非平稳地震激励TMD结构参数的方法。     

复杂高层建筑结构地震作用的计算

本文对多塔、连体等高层建筑结构在地震作用下的实用计算方法进行了讨论，推导了相应的公式。并提出了一些新的概念，使复杂高层建筑结构的抗震计算工作量大大减少。     

建筑隔震结构地震响应计算的层间剪力校准系数法

隔震结构由于其优越的抵御地震能力而在实际建筑工程中得到了广泛的应用。针对建筑隔震结构,我国GB 50011—2010 《建筑抗震设计规范》所推荐的水平向减震系数法,通过引入水平向减震系数修正未采取隔震措施结构的反应谱法结果,间接获得采取隔震措施后结构的地震响应。该法具有较强的操作性,但其合理性一直受到工程界的关注。针对隔震结构的局部非线性行为,建立隔震结构地震响应的时域显式表达式,利用其降维列式优势实现隔震装置局部非线性自由度的高效降维迭代计算。结合随机模拟方法,统计获得非线性隔震结构在地震作用下的层间剪力。在此基础上,针对等效线性隔震结构反应谱法得到的层间剪力进行校准,获得各楼层层间剪力校准系数,然后采用该系数调整反应谱法计算得到的等效线性隔震结构各楼层的构件内力。采用所提出的层间剪力校准系数法和规范推荐的水平向减震系数法,对两个基础隔震结构进行地震作用效应分析,结果表明所提出方法能有效提高隔震结构地震响应的计算精度。     

多维地震作用下网壳结构的随机分析方法

本对网壳结构在多维地震作用下的随机地震反应分析方法进行了研究，将大连理工大学林家浩教授提出的“虚拟激励法”进一步推广应用到结构多维地震作用领域，给出了虚拟激励多维随机振动分析方法，对多维地震动的随机模型及相关性进行了探讨，在此基础上，对一双层球面网壳在多维地震作用下的随机响应进行了分析，给出了主要结论。     

中美超限高层建筑性能化抗震设计方法对比分析

为了系统比较中美超限高层建筑基于性能的抗震设计方法,介绍了美国太平洋地震工程研究中心主导实施的“高层建筑推进计划”项目,探讨了该项目的主要成果（PEER-2010）《高层建筑基于性能的抗震设计指南》,并结合算例将其建议的基于性能抗震设计方法与中国GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》和GB 50010-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定的基于性能抗震设计方法进行对比。研究结果表明:PEER-2010与我国规范中分别建议的超限高层建筑性能化抗震设计方法在性能目标划分、地震动选择、荷载输入及对地基与结构相互作用的考虑上均存在差异。PEER-2010对性能目标的划分相对更宽松,建议的下一代选波方法能够考虑长周期超高层建筑的选波问题,并对考虑地基与上部结构相互作用有着较为明确的规定。     

高层建筑结构非线性地震反应分析的竖向空间子结构法

对原竖向空间子结构法进行了改进,使竖向空间子结构的划分更趋简单,便于计算机进行前处理,自动形成结构力学分析的原始数据;子结构内部能处理各种复杂平、立面情况,避免了因子结构划分过细导致的计算工作量的增加;减少了边界节点总数;子结构间无需连接单元,结构分析仅有统一的竖向空间子结构模式,便于计算机编程,本文作者采用FORTRAN语言编制了相应的结构非线性地震反应分析程序,并进行算例分析。分析结果表明,竖向空间子结构法特别适合于多塔联体结构的非线性动力分析。     

横观各向同性饱和两相介质波动问题的时域显式有限元方法

针对横观各向同性饱和两相介质的弹性波动问题,分别应用空间解耦技术和时域显式逐步积分计算格式完成对该问题的有限元空间离散和时间离散,建立了横观各向同性饱和两相介质波动问题计算分析的时域显式有限元方法。应用该方法进行了输入地震波作用下横观各向同性饱和两相介质动力反应的计算分析,并将计算结果与完全各向同性饱和两相介质的计算结果进行对比研究,并对各向异性系数取值对于横观各向同性饱和两相介质动力反应计算结果的影响进行了研究和讨论。计算结果表明,横观各向同性饱和两相介质与完全各向同性饱和两相介质的动力反应特性具有较为显著的差异,各向异性系数取值对于横观各向同性饱和两相介质动力反应计算结果具有较为重要的影响。本文的数值计算工作同时表明,本文建立的时域显式有限元方法是进行横观各向同性饱和两相介质动力反应计算分析的一种有效方法。     

超高层建筑三维风振的时域分析方法研究

以436m高的大连国贸中心大厦为例,着重介绍通过时域分析确定超高层建筑三维等效静风荷载的方法。首先结合风洞测压试验,采用广义坐标合成法和等效风振力法得出各层的位移响应时程和等效荷载时程。然后根据极值统计理论和相关分析确定等效目标,在等效荷载时程中与目标最匹配的值即可作为等效静风荷载。由此得出的各层荷载自动包含了不同方向的组合以及荷载空间相关性,不但可实现等效目标,其他相关响应通常也可达到最大值。由于采用了高效的广义坐标合成法,该时域分析方法在精度相同的前提下,计算量比传统的频域完全二次型组合(CQC)算法还要小。对大连国贸中心大厦的计算分析验证了该方法的有效性。分析结果表明大厦的横风向振动非常显著,在小角度斜吹的情况下,弱轴方向将由于强烈的横风向振动出现响应与荷载的最大值。     

A new proxy for ground motion selection in seismic collapse assessment of tall buildings

Tall buildings are long‐period structures that are sensitive to the long‐period content of ground motions. Selection of appropriate ground motions is an important step in seismic collapse assessment of tall buildings using nonlinear dynamic analyses. Epsilon (ε_Sa) and eta (η) are two spectral shape indicators, which have been recently proposed for ground motion selection in the technical literature. In this study, a new parameter gamma (γ) is proposed, which has considerable correlation with the collapse capacity of long‐period structures having a fundamental period greater than 1 s. This parameter is a linear combination of ε_Sa and the displacement spectrum intensity epsilon (ε_DSI). The parameter γ is obtained and optimized by applying the particle swarm optimization algorithm. Since γ has significant correlation with the collapse capacity of long‐period structures, it can be used as an efficient proxy for ground motion selection in seismic collapse assessment of tall buildings. The results of this study show that ground motion selection considering the new proxy γ causes reduction in the dispersion of structural response and also decrease in the mean annual frequency of collapse, when compared with ground motion selection based on ε_Sa and η. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

Effect of vertical structural irregularity on seismic design of tall buildings

Many tall buildings are practically irregular as an entirely regular high‐rise building rarely exists. This study is thus devoted to assessing the approach and coefficients used in the seismic design of real‐life tall buildings with different vertical irregularity features. Five 50‐story buildings are selected and designed using finite element models and international building codes to represent the most common vertical irregularities of reinforced concrete tall buildings in regions of medium seismicity. Detailed fiber‐based simulation models are developed to assess the seismic response of the five benchmark buildings under the effect of 40 earthquake records representing far‐field and near‐source seismic scenarios. The results obtained from a large number of inelastic pushover and incremental dynamic analyses provide insights into the local and global seismic response of the reference structures and confirm the inferior local response of tall buildings with severe vertical irregularities. Due to the significant impacts of the severe irregularity types on the seismic response of tall buildings, the conservative code approach and coefficients are recommended for design. It is also concluded that although the design coefficients of buildings with moderate irregularities are adequately conservative, they can be revised to arrive at more consistent safety margins and cost‐effective designs.