近断层区的输入能量设计谱及其在基于能量抗震设计中的应用

研究并确定输入能量设计谱是建立基于性能抗震设计和评估能量方法的必要基础。选取断层15km投影距离内的224条强震记录讨论场地类型和断层距等因素的影响,建议了近场地震的输入能量设计谱(EIDS),在与实际记录及日本等国已有抗震规范比较后表明,所建议的设计能量谱能较好地反映近断层区潜在能量需求,在此基础上形成了基于能量的桥梁结构抗震评估设计方法,并用3座实际RC桥墩进行算例验证证明了所建议方法的可行性,表明基于既有抗震规范设计的桥梁结构仍有必要进行考虑近断层效应的耗能能力验算。     

考虑场地条件与设计地震分组的输入能量谱研究

建立简单适用的设计输入能量谱是将能量方法应用于实际工程设计及校核的前提.选择了Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类场地共694条水平地震动记录,分析了不同的场地类别和设计地震分组下输入能量谱的特点.通过12个不同地震动参数与能量谱值的相关性分析,得到了表征地震动输入能量的地震动参数.基于我国现行规范规定的设防烈度和设防水准,提出了地震分组...     

基于电磁阻尼的振动能量回收装置研究

针对水平方向振动体的能量回收问题,设计一种基于电磁阻尼的振动能量回收装置,装置主要包括振动台、电磁阻尼器和稳压电路.有别于传统的重力方向上的电磁振动体能量收集装置,水平方向运动的振动台更有利于模拟高层建筑的实际的振动环境;为了减小滑动摩擦带来的能量损耗,设计了基于滚动轴承的电磁阻尼器;针对传统能量回收装置中单个线圈收集...     

中、美主要抗震设计规范加速度谱的近断层地震动能量检验.

近场地震通常有显著的脉冲型高能输入,有必要从能量角度对现行抗震规范进行有效性检验,以探讨规范加速度设计谱能否体现近断层区域地震地面运动的能量耗散需求. 基于本文作者所建议的5%阻尼比下谱速度与输入能量等效速度之间关系,推导了与当前中、美主要抗震设计规范(GB50011-2001, UBC97)加速度谱相容的输入能量谱,并对其适用范围进行了讨论. 将其与基于实际近断层记录分组所得的输入能量设计谱进行对比表明, 我国GB50011-2001规范除软土场地的9度罕遇烈度外均难以体现近场地震的能量要求,有必要对设计谱平台高度进行调整;而美国UBC97规范则在除SA类场地之外的其它条件下均能较好地与15 km范围内的近场能量需求相吻合,从而也证明了本文推导方法的正确性.      

等效线性化方法在地震输入能量谱中的应用

建立弹塑性单自由度系统的地震输入能量谱是基于能量抗震设计的核心问题之一,而等效线性化方法是一种简化计算弹塑性结构地震响应的实用方法,但其在弹塑性系统地震输入能量谱中的应用尚不成熟。目前基于位移一致提出的等效性线性化方法已有很多,选取其中有代表性的4种方法将弹塑性结构简化为弹性结构进行地震输入能量的计算,比较各种方法的计算精度和适用范围,同时分析和讨论了结构参数对各种等效线性化方法计算误差的影响。结果表明:所选4种等效线性化方法均对短周期结构的能量谱预测误差较大;对中等周期和中长周期下的结构其计算误差较小,其中Caltrans法和Iwan法的误差相对稳定,且平均值在10%以内。基于以上分析结果,采用遗传算法对Iwan法进行了修正,改进了其对短周期范围弹塑性结构能量谱的计算精度。     

一种基于能量的振动主动控制新方法

为了防止控制过程中作动器出现饱和现象,本文提出了一种基于能量的新的振动主动控制策略。该方法是通过比较容许能量与实际能量来确定结构控制力的大小,而其方向是通过对能量求导确定。由于不需要求解线性矩阵不等式,所以计算简单,操作方便。并且当采用同样容量限的多个作动器时,控制输出力一致,从而避免设计多个控制系统,简化了控制器设计。此外,由于采用阶跃控制,控制系统便于实现。最后,以六层建筑物为例来说明本文方法的可行性。     

基于能量方法设计的RC框架结构易损性分析

基于“强柱弱梁”的屈服机制,依据能量平衡方法设计了某6层RC框架结构,采用震级-震中距条带地震动记录选取方法,选取12条随机地震动,利用Perform-3D有限元分析软件对结构进行增量动力（IDA）分析,得到了结构的地震易损性曲线、破坏状态概率曲线以及结构破坏概率矩阵。分析结果表明:该方法设计的结构能够形成预设的“强柱弱梁”屈服机制,可以保证结构中梁充分参与耗能,同时结构具有较强的抗倒塌能力,可以满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的性能要求。     

钢筋混凝土框架刚塑性抗震设计方法研究

在罕遇地震作用下,钢筋混凝土框架结构通常要经历相当大的塑性变形,地震输入的动能绝大部分转化为塑性变形能而被耗散,仅有很少部分转化为弹性变形能,基于这种能量转化机制,采用刚塑性模型来预测地震反应.同时建议在结构设计时于适当位置预设塑性铰,使结构在强烈地震作用下的能量耗散集中在塑性铰处,并保证结构整体性,从而达到结构大震不倒的设防水准.以塑性理论为基础,发展了一种适用于钢筋混凝土框架结构刚塑性抗震设计方法.文中最后以5层钢筋混凝土框架为例给出了分析结果,并与弹塑性时程分析进行了对比,两者的一致性是相当满意的.由此表明,刚塑性抗震设计方法概念清晰,计算简单,具有可靠精度,可以满足罕遇地震作用下钢筋混凝土框架结构抗震设计要求.     

地震总输入能量与瞬时输入能量谱的研究

现有的抗震设计理论大多是基于承载力或强度的设计方法,与其相应的反应谱理论最大的缺陷是无法反映地震动持时的影响,而以地震动能量作为设计参数时就能弥补现有抗震理论的不足。本文按照反应谱理论的思路建立了线性单自由度体系的地震动总输入能量谱和瞬时输入能量谱。研究发现,阻尼比为5%时的地震动总输入能量谱和最大瞬时输入能量谱的等价速度谱可以分别用阻尼比为0.5%和10%下的拟速度谱来近似获得;地震波的V/A值大于0.15时,总输入能量谱的Δt谱峰值与地震波的强震持时呈线性增长关系,V/A值小于0.15时,两者间的关系无规律性。最大瞬时输入能量谱的Δt谱峰值基本不受地震波的V/A值与强震持时的影响;输入能量谱(总输入能量谱与最大瞬时输入能量谱)的特征周期随地震波V/A值的增大而增大,根据分析结果本文提出了线性单自由度体系输入能量谱的简化计算方法,方法简便,计算结果偏安全。     

基于性能抗震设计中的等效线性模型研究

对6种等效线性化方法等效模型进行分析和总结,研究等效线性化方法应用于桥梁结构基于位移抗震设计的可行性及计算过程.以箍筋体积配箍率和桥梁结构承载能力为评价因素,对钢筋混凝土桥梁墩柱采用不同等效线性化方法进行基于位移的抗震设计,研究了等效线性化方法及阻尼调整系数对抗震设计结果的影响.研究表明,各种等效线性化方法应用于基于位移的抗震设计其计算结果存在较大差异,等效阻尼比对基于位移的抗震设计结果影响显著,不同的阻尼调整系数得到的计算结果也不同.在所研究的6种等效线性化方法中,Kowalsky方法、Iwan方法和欧进萍方法计算误差较小,随着位移延性系数的增大,Kowalsky方法的计算误差减小.应用Eurocode8规范提供的阻尼调整系数计算得到的结果与真实值较为接近.建议采用Eurocode8规范提供的阻尼调整系数和Kowalsky方法进行基于位移的抗震设计.     

Estimation of hysteretic energy demand using concepts of modal pushover analysis

Hysteretic energy dissipation in a structure during an earthquake is the key factor, besides maximum displacement, related to the amount of damage in it. This energy demand can be accurately computed only through a nonlinear time‐history analysis of the structure subjected to a specific earthquake ground acceleration. However, for multi‐story structures, which are usually modeled as multi‐degree of freedom (MDOF) systems, this analysis becomes computation intensive and time consuming and is not suitable for adopting in seismic design guidelines. An alternative method of estimating hysteretic energy demand on MDOF systems is presented here. The proposed method uses multiple ‘generalized’ or ‘equivalent’ single degree of freedom (ESDOF) systems to estimate hysteretic energy demand on an MDOF system within the context of a ‘modal pushover analysis’. This is a modified version of a previous procedure using a single ESDOF system. Efficiency of the proposed procedure is tested by comparing energy demands based on this method with results from nonlinear dynamic analyses of MDOF systems, as well as estimates based on the previous method, for several ground motion scenarios. Three steel moment frame structures, of 3‐, 9‐, and 20‐story configurations, are selected for this comparison. Bias statistics that show the effectiveness of the proposed method are presented. In addition to being less demanding on the computation time and complexity, the proposed method is also suitable for adopting in design guidelines, as it can use response spectra for hysteretic energy demand estimation. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于MPA方法的结构滞回耗能计算

在能量反应分析中,滞回耗能是最具明确工程意义的而又便于工程应用的能量指标,可用以衡量结构的塑性累积损伤。然而,以往研究中,在计算多自由度体系的滞回耗能时,通常采用时程分析法,计算比较烦杂,不利于工程实际的应用。因此,本文提出了一种采用模态pushover分析（MPA）计算多层结构滞回耗能的简便方法,并通过两个高层结构算例,验证了该方法的精度。结果表明：基于模态pushover分析的结构滞回耗能计算方法精度良好,结果可靠;对于框架结构,可以直接采用第一阶模态（倒三角）加载模式对结构进行pushover分析计算,对于高层框架剪力墙结构,必须组合高阶模态的滞回耗能计算结果。     

Performance spectra based method for the seismic design of structures equipped with passive supplemental damping systems

A new direct performance‐based design method utilizing design tools called performance‐spectra (P‐Spectra) for low‐rise to medium‐rise frame structures incorporating supplemental damping devices is presented. P‐Spectra are graphic tools that relate the responses of nonlinear SDOF systems with supplemental dampers to various damping parameters and dynamic system properties that structural designers can control. These tools integrate multiple response quantities that are important to the performance of a structure into a single compact graphical format to facilitate direct comparison of different potential solutions that satisfy a set of predetermined performance objectives under various levels of seismic hazard. An SDOF to MDOF transformation procedure that defines the required supplemental damping properties for the MDOF structure to achieve the response defined by the target SDOF system is also presented for hysteretic, linear viscous and viscoelastic damping devices. Using nonlinear time‐history analyses of idealized shear structures, the accuracy of the transformation procedure is verified. A seismic performance upgrade design example is presented to demonstrate the usefulness of the proposed method for achieving design performance goals using supplemental damping devices. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

在振动台模型试验中黏滞阻尼器的设计方法

通过有限元分析,计算出原型结构中黏滞阻尼器的合理参数,然后利用阻尼力相似原则,对原型结构中黏滞阻尼器参数进行相似比运算,转化为模型结构中的黏滞阻尼器参数.运用该方法,在连续梁桥纵向消能减震振动台试验中设计模型黏滞阻尼器,从试验结果来看,黏滞阻尼器发挥了良好的消能减震效果.     

剪切型多自由度体系瞬时输入能量的分布

通过对剪切型多自由度体系的地震能量反应分析,提出了描述多自由度体系整体脉冲能量反应的参数,瞬时输入能量等效平均速度,并在此基础上建立了瞬时输入能量分布系数的概念,提出了估计瞬时输入能量分布的方法。     

抗震与减震结构的能量分析方法研究与应用

本文总结了抗震,减震结构能量分析方法的研究及其在设计中的应用情况,包括能量垢要领和原理,结构能量反应方程的建立、地震动总输入能量及结构各部分能量的分析,计算方法及其影响因素,并对能量分析方法与设计方法在抗震,隔震及耗能减震结构体系中的应用做了介绍,提出了该方法在今后研究与应用中应注意的若干问题。     

弹性能量半径演化谱及其在多自由度体系地震反应计算中的应用

目前用于结构抗震设计的反应谱仅能反映峰值反应,无法体现反应值随时间的变化。文中提出一种弹性能量半径演化谱,可反映线性单自由度体系弹性能量(即动能与弹性势能之和)随地震持时的变化,且其峰值近似等于结构峰值位移。文中给出了利用地震动演化功率谱得到该演化谱的方法并进一步发展了一种计算线性多自由度体系地震位移反应的新方法。通过两座框架结构的地震反应计算,将新方法与传统振型组合法及时程分析法的计算结果进行对比,发现对于振型稀疏结构,新方法计算结果与SRSS法接近;而对于振型密集结构,新方法计算结果较CQC法更精确,且避免了CQC法相关系数的复杂计算。     

高阶单步力控制拟动力试验方法研究

本文采用高阶单步力控制试验方法,提出了减少试验误差的若干处理技术,进行了三层底部框支配筋砌块短肢砌体剪力墙足尺结构的拟动力试验,实现了大刚度多自由度复杂结构拟动力试验。试验结果表明,足尺拟动力试验可以很好地反映结构在真实地震作用下的反应,而采用力控制试验方法在结构恢复力特性进入下降段之前是可行的。     

行波效应对大跨度空间结构随机地震响应的影响

深入研究了行波效应对大跨度空间结构随机地震响应的影响,进一步完善了大跨度空间结构随机地震响应分析理论。推导了双支座、单自由度体系地震响应功率谱密度函数的解析表达式,研究了不同频率体系的响应峰值随地面视波速的变化规律,分析了多支撑点、多自由度体系的地震响应功率谱矩阵的特点,发现多自由度体系地震响应随地面视波速的变化规律与单自由度体系相似。数值模拟了某体育馆网壳结构在不同地面视波速情况下的随机地震响应,结果表明,考虑地震动行波效应后,结构地震响应随地面视波速的变化而显著变化,当视波速较低时其变化规律很复杂;且支撑点附近、受拟静力位移影响较大的部分杆件的地震响应明显增大,远离支撑点处、受拟静力位移影响较小的部分杆件的地震响应稍有减小。由此得出结论,对于大跨度空间结构的随机地震响应分析,必须考虑地震动的行波效应,尤其当受拟静力位移影响较大的部分杆件对结构抗震设计起控制作用时;且应对可能出现的地面视波速进行全面分析,作为结构抗震设计依据。     

A nonlinear SDOF model for the simplified evaluation of the displacement demand of low-rise URM buildings

The determination of displacement demands for masonry buildings subjected to seismic action is a key issue in the performance-based assessment and design of such structures. A technique for the definition of single-degree-of-freedom (SDOF) nonlinear systems that approximates the global behaviour of multi-degree-of-freedom (MDOF) 3D structural models has been developed in order to provide useful information on the dependency of displacement demand on different seismic intensity measures. The definition of SDOF system properties is based on the dynamic equivalence of the elastic properties (vibration period and viscous damping) and on the comparability with nonlinear hysteretic behaviour obtained by cyclic pushover analysis on MDOF models. The MDOF systems are based on a nonlinear macroelement model that is able to reproduce the in-plane shear and flexural cyclic behaviour of pier and spandrel elements. For the complete MDOF models an equivalent frame modelling technique was used. The equivalent SDOF system was modelled using a suitable nonlinear spring comprised of two macroelements in parallel. This allows for a simple calibration of the hysteretic response of the SDOF by suitably proportioning the contributions of flexure-dominated and shear-dominated responses. The comparison of results in terms of maximum displacements obtained for the SDOF and MDOF systems demonstrates the feasibility and reliability of the proposed approach. The comparisons between MDOF and equivalent SDOF systems, carried out for several building prototypes, were based on the results of time-history analyses performed with a large database of natural records covering a wide range of magnitude, distance and local soil conditions. The use of unscaled natural accelerograms allowed the displacement demand to be expressed as a function of different ground motion parameters allowing for the study of their relative influence on the displacement demand for masonry structures.