钢框架结构的非线性静力抗震可靠性分析：I有限元反应及其灵敏度

作为一种随机有限元方法，有限元可靠度方法通过有限元反应灵敏度分析将结构可靠度分析的近似解析方法与结构确定性分析的有限元方法结合起来，可以有效地处理结构反应是基本随机变量的隐式函数这一难题，因此成为大型复杂结构可靠度分析的有效工具。采用基于位移的非线性纤维梁柱单元对钢框架结构进行有限元建模，推导了单元与截面的基本方程。针对基于位移的纤维梁柱单元，采用逐级递进方式，分别推导了整体级、单元级、截面级和材料级的有限元反应灵敏度直接微分表达式。研究结果可为采用FORM或SORM等近似解析法进行钢框架结构的非线性静力有限元可靠性分析提供算法支持和编程依据。     

钢框架结构的非线性静力抗震可靠性分析Ⅱ:可靠度指标及其灵敏度

将有限元反应及其灵敏度分析与结构可靠度分析的近似解析方法结合起来,可以进行具有隐式功能函数的大型复杂结构的可靠性分析。在基于位移的非线性纤维梁柱单元及其灵敏度直接微分表达式的基础上,通过力学变换、概率变换和反应灵敏度,将结构可靠度计算方法FORM和SORM与有限元方法有机地集成在一起。依据现行抗震设计规范,建立了钢框架结构典型构件承载能力和结构层间变形能力的抗震极限状态方程,利用地震作用的等效随机静力模型,采用非线性有限元静力可靠度方法,对一实际工程结构的抗震可靠度及其灵敏度进行了概率分析和评价,结果表明：尽管在大震作用下该结构的层间弹塑性变形可靠度较高,但是构件极限承载能力的可靠度指标较低,仍然存在失效的可能性。因此,仅验算“小震”作用下结构的承载能力可靠度和“大震”作用下结构的变形能力可靠度是不够的,还需要验算在“中震”和“大震”作用下结构的极限承载能力可靠度。     

钢框架结构的非线性静力抗震可靠性分析 II:可靠度指标及其灵敏度

将有限元反应及其灵敏度分析与结构可靠度分析的近似解析方法结合起来,可以进行具有隐式功能函数的大型复杂结构的可靠性分析。在基于位移的非线性纤维梁柱单元及其灵敏度直接微分表达式的基础上,通过力学变换、概率变换和反应灵敏度,将结构可靠度计算方法FORM和SORM与有限元方法有机地集成在一起。依据现行抗震设计规范,建立了钢框架结构典型构件承载能力和结构层间变形能力的抗震极限状态方程,利用地震作用的等效随机静力模型,采用非线性有限元静力可靠度方法,对一实际工程结构的抗震可靠度及其灵敏度进行了概率分析和评价,结果表明:尽管在大震作用下该结构的层间弹塑性变形可靠度较高,但是构件极限承载能力的可靠度指标较低,仍然存在失效的可能性。因此,仅验算"小震"作用下结构的承载能力可靠度和"大震"作用下结构的变形能力可靠度是不够的,还需要验算在"中震"和"大震"作用下结构的极限承载能力可靠度。     

基于Timoshenko梁理论纤维模型巨型钢框架结构非线性地震反应分析方法

巨型钢框架结构中,组成主结构的杆件截面高度很大,荷载作用下截面剪切变形对杆件承载力和塑性发展的影响不能忽略,即基于弯曲梁理论的截面纤维模型梁柱单元用于此类结构非线性分析时精度并不高.本文基于刚度法将截面纤维模型与Timoshenko梁理论结合,考虑剪切屈服与弯曲屈服相分离建立杆件单元刚度矩阵通过有限元软件MSC.Mar...     

基于MVFOSM有限元可靠度方法的结构整体概率抗震能力分析

结构整体概率抗震能力分析既属于结构体系抗力统计分析研究内容,也属于地震易损性分析研究范畴,多采用数值模拟方法.作为一种不确定性传递的近似解析分析工具,平均值一次二阶矩方法(MVFOSM)广泛地应用于结构构件抗力的统计分析,但是很难应用于结构整体抗力的统计分析,主要困难在于结构反应是基本随机变量的隐式函数,梯度信息很难得到.将结构体系抗力的统计分析和地震易损性分析结合起来,通过基于MVFOSM的有限元可靠度方法,以新一代的地震工程模拟仿真软件OpenSees为计算平台,以最大层间位移角作为结构整体抗震能力参数,对钢筋混凝土框架结构的整体概率抗震能力进行分析,并用Monte Carlo模拟法结果进行验证,从而建立了钢筋混凝土框架结构的整体概率抗震能力模型.算例分析表明,MVFOSM有限元可靠度方法的精度和效率都很高,只需要进行一次有限元分析即可较为准确地获得结构整体概率抗震能力的前二阶矩信息.     

柔度法纤维模型在方钢管混凝土柱滞回仿真中的应用

本文编制了基于二阶柔度法纤维模型梁柱单元的矩形钢管混凝土框架结构非线性分析程序,采用虚拟阶步法和改进的滞回路径追踪方法消除了其中截面切线刚度矩阵奇异时无法求逆的隐患,提高了算法的稳定性.运用此程序对矩形钢管混凝土柱进行滞回仿真,并与试验结果对比,结果表明:柔度法纤维模型梁柱单元可以有效解决框架结构的几何非线性问题和压弯耦合的材料非线性问题,使用较少的单元数量就可以得到较准确的计算结果;本文所采用的改进措施切实有效,保证了程序的稳定性.     

长春光大银行主体钢结构在罕遇地震作用下的时程反应分析

分别采用基于塑性铰法的空间梁柱单元分析程序和简化的DRAIN-20分析程序，对其主体巨型钢框架结构进行了考虑双重非线性的罕遇地震作用下的时程反应分析。分析中使用了三条典型地震波和一条当地人工地震波，分别得到了顶层位移和加速度时程曲线、层间位移包络值和塑性铰出现的位置与先后顺序。分析结果表明结构在体系设计上是合理的和在大震作用下具有足够的安全度。     

若干典型巨型钢框架结构的罕遇地震反应分析

针对若干有代表性的巨型钢框架结构进行了在强震作用下考虑几何非线性的弹塑性时程反应分析，得到了结构的位移、速度、加速度时程响应，给出了结构各层位移包络值、层问位移包络值和塑性铰出现的位置，并讨论了巨型梁柱、地震波等因素对巨型钢框架结构抗震性能的影响。     

不同模型对足尺钢框架振动台试验模拟的影响

本文分别采用纤维单元模型和塑性铰单元模型对一个四层足尺钢框架振动台试验进行模拟分析,在三维空间非线性分析程序Perform-3D中进行动力非线性分析,比较分析结果,并与试验结果对比,以研究两种模型应用于钢框架整体结构非线性分析的计算精度。文中并讨论了纤维单元模型截面纤维的划分、塑性区长度的取值等问题。最后对采用组合梁的整体结构模型进行了动力非线性分析。结果表明,纤维模型的建模速度比塑性铰模型快,但塑性铰模型能模拟结构的倒塌时间。Perform-3D程序的纤维单元模型和塑性铰单元模型用于计算我国规范规定的7度和8度地震作用的多层钢框架结构,其结果是真实可靠的,而且计算结果偏于安全。     

有限单元柔度法考虑剪切变形的纤维单元模型

基于有限单元柔度法的梁柱单元模型,以单元力的形函数为出发点,其优点是单元内部截面力场的分布总能满足平衡条件。但目前国内外学者提出的梁柱单元模型,还不能考虑剪切变形对构件刚度的影响。建立了基于有限单元柔度法的弹塑性纤维单元模型,考虑了剪切变形和几何非线性的影响,适用于钢筋混凝土短柱、剪力墙等较大截面杆件的分析研究。依据单元模型编制了非线性有限元分析程序,进行了低周反复荷载试验的数值模拟。模拟分析结果反映了结构构件的主要受力特征,并与实验结果具有良好的一致性。     

基于纤维梁柱单元的桥梁墩柱地震反应模拟方法研究

为讨论利用纤维梁柱单元进行钢筋混凝土桥墩地震反应分析的建模方法,分别以4个悬臂式单柱墩和1个双柱墩拟静力加载试验,以及1个悬臂式单柱墩的振动台试验结果为依据,基于OpenSees数值分析平台建立了桥墩的地震反应分析模型。通过改变单元数量,分析了基于力的纤维梁柱单元和基于位移的纤维梁柱单元对桥墩地震反应的模拟精度。结果表明:对悬臂式单柱墩的拟静力和振动台试验,可沿墩高仅建立1个基于力的纤维梁柱单元,并在墩底串联1个考虑纵筋塑性渗透和粘结滑移的转动弹簧单元,即可获得很好的模拟结果。当采用基于位移的纤维梁柱单元时,应沿墩高至少建立2个单元,且塑性铰区至少有1个,才能保证获得较高的模拟精度。对双柱墩拟静力试验,采用基于力的纤维梁柱单元建模,沿每个墩高建立2个单元即可;以基于位移的纤维梁柱单元建模,建议沿每个墩高建立3个单元,且其中2个单元布置在塑性铰区。当数值模型可对静力滞回曲线取得很好的模拟结果后,该模型一般可对动力作用下墩顶最大位移和墩底最大剪力进行较为准确的模拟,但对墩顶残余位移的模拟精度无法保证。     

MR阻尼器对桅杆结构风振响应的智能半主动控制

本文基于修正的拉格朗日坐标描述法，推导了空间四节点纤绳单元的大位移刚度矩阵的具体表达式。在将桅杆结构离散为空间四节点纤绳单元和梁单元的计算模型的基础上，建立了桅杆结构非线性风振响应分析的有限元方法。根据瞬时最优主动控制的原则，提出了MR阻尼器对桅杆结构风振反应智能半主动控制基于阻尼器位移的“开关—耗能”半主动控制策略。算例结果表明MR阻尼器能有效地减小桅杆结构的风振反应。     

考虑梁端耗能能力影响的钢框架结构易损性分析

一般采用梁柱焊接节点钢框架结构在遭遇强烈地震地震作用下,结构倒塌破坏可能由于是耗能能力不足所导致。以某钢框架结构为算例,选取20条实际地震动记录,对结构进行易损性分析,对比不同损伤指标和不同梁端构造形式的钢框架结构抗震性能差异。研究显示:对梁柱焊接的普通钢框架结构,其倒塌破坏是由于结构耗能能力不足所导致的,评价结构抗震性能不仅需考虑结构变形能力,尚需同时考虑结构耗能能力;对于改进形式的钢框架结构,结构耗能能力得到显著提高,使得位移首超破坏先于累积损伤破坏,此时基于变形的评价结果更加可靠。     

钢筋混凝土框架结构基于性能和可靠度的抗震优化设计

基于可靠度理论的概率极限状态设计法是结构设计的基本法则之一,而新一代"基于性能的地震工程"要求在性能化设计中尚应考虑随机因素的影响。为获得满足预设性能水准和可靠度指标的最优方案,以钢筋混凝土框架结构为例,根据其在不同性能水准下的位移需求,采用非线性随机有限元方法求解结构的抗震可靠度,并将可靠度指标作为约束条件,以总造价为优化目标,提出了一种基于性能和可靠度的抗震优化设计方法。其中,可靠度计算以OpenSees为平台,并采用基于梯度分析的FORM有限元法。优化分析以MATLAB为平台,通过程序调用,实现了与可靠度分析之间的数据通讯。算例分析表明,模拟退火算法在本问题中较遗传算法具有更高全局搜索能力和计算精度。研究成果可为新一代基于性能和可靠度的优化设计提供参考。     

钢框架结构直接基于位移抗震性能设计的非迭代法

为使直接基于位移的抗震性能设计方法更加简便准确,本文采用一种直接基于位移的非迭代抗震设计方法对钢框架结构进行设计。该方法首先考虑结构的非弹性反应确定等效弹性反应谱和弹塑性反应谱,并建立了使用Newmark-Hall变形折减系数的能力谱的明确表达式。采用能力-需求图方法,确定了结构需要的目标位移与延性、谱位移和谱加速度之间关系的明确表示式,得到结构的刚度和设计基底剪力,进而确定构件截面,完成结构设计。对五层两跨平面钢框架结构进行了直接基于位移的抗震性能设计,设计过程简便,无需迭代程序,不需画出反应谱,通过时程分析验证了设计结果的精确性。本文研究表明:直接基于位移的非迭代抗震设计方法是一种简便、高效、精确的抗震性能设计方法。     

钢框架基于复模态随机反应分析的抗震可靠度研究

首次将复模态法应用于钢框架结构的随机地震反应分析中,通过算例对钢框架结构在平稳地震激励下的抗震可靠度进行了计算分析。同时,提出了钢框架在非平稳地震激励下的反应统计量的求解方法。研究表明,钢框架结构在非平稳地震激励下的随机反应分析,可以利用扩阶的方法来进行,将求解结构非平稳随机响应转化为求解扩阶系统在均匀调制白噪声激励下的响应。采用复模态分析法可较方便地求解出结构在非平稳地震激励下弹性随机反应的协方差函数及均方差的解析表达式。     

密肋壁板结构宏观模型及非线性时程反应分析

采用SAP程序中的Link单元进行了密肋壁板结构非线性时程反应分析。推导了Link单元的刚度矩阵,确定了相对转动中心高度。并结合钢筋混凝土柱轴向恢复力模型和密肋复合墙体水平抗侧恢复力模型,给出了Link单元竖向和水平连接弹簧非线性力-位移关系的计算公式。采用Link单元建立了密肋壁板结构宏观有限元分析模型,并对1/10比例振动台模型试验进行了非线性时程反应分析。结果表明:计算结果与试验结果吻合良好,这说明采用Link单元可以较好的模拟密肋壁板结构的动力非线性行为。     

基于向量式有限元的黏滞阻尼减震结构抗竖向连续倒塌动力反应分析

向量式有限元是以向量力学为基础的一种新的结构分析方法,在处理结构大变形等复杂行为时具有较大的优势。基于向量式有限元理论建立了黏滞阻尼单元,对附加黏滞阻尼器的平面钢框架结构进行了抗竖向连续倒塌动力分析,结合拆除构件法,采用MATLAB编制可以考虑初始变形的瞬时卸载法程序,实现结构在构件拆除前的静力分析和构件拆除后动力分析的全过程统一。研究了阻尼器布置位置和参数在结构抗竖向连续倒塌中的性能需求,以失效点竖向位移时程曲线、梁端转角、动力放大系数和结构塑性铰分布为参考指标,对比分析布置阻尼器前后钢框架结构的抗连续倒塌能力。结果表明向量式有限元是一种研究结构竖向连续倒塌动力响应的有效方法,合理布置阻尼器能够有效控制剩余结构的变形和振动,降低构件内力,减少塑性铰个数,较大地提高结构的抗竖向连续倒塌能力。     

中震下RC框架结构的失效相关性分析

在定义框架结构截面效应的束维修失效的基础上,利用钢筋混凝土框架结构非线性随机模拟地震反应分析程序,研究了在役框架结构在中震作用下截面效应约束的失效相关性。通过分析,总结出了可用于可靠性分析的相关性规律,并通过算例示出了相关性规律在结构体系可靠度计算中的应用。     

基于纤维模型的钢筋混凝土结构动力弹塑性分析

采用纤维单元模型和实体单元模型对一个钢筋混凝土柱进行了动力弹塑性分析,结果表明,截面纤维模型能以很小的计算成本达到实体单元模型的计算精度,并且和试验结果拟合较好。同时,对一个3层钢筋混凝土框架结构进行的动力弹塑性分析表明,纤维单元模型能很好地解决各种非线性问题,适合于强震作用下结构整体动力弹塑性分析。