高速铁路客站房桥合一结构层间隔震优化策略研究

作为当前高速铁路建造中出现的一种新型客站形式———房桥合一结构体系已经开始应用于实际工程,其抗震设防研究有着迫切需求和重要意义。基于此,本文对房桥合一结构中设置层间隔震来实现减震控制开展研究工作,并重点探讨此类控制方法的参数优化策略。首先建立了房桥合一结构数值模型,通过引入虚拟激励法推导了高效准确的随机计算式,继而指出采用参数域方法进行优化更为合理,它可实现隔震层参数有效配置。最后,通过数值研究对随机地震激励下房桥合一结构层间隔震优化策略进行了验证分析,分别基于单桥模型和多桥模型研究了其减震机理和减震效果,提出可提高减震效果的参数优化策略。本文研究结果表明:设置经过参数合理优化的层间隔震装置对房桥合一结构减震是可行且有效的。     

平面不规则结构的实用多维反应谱计算方法

因地震动输入方向对平面不规则结构响应的影响显著,所以本文对该类的实用多维反应谱计算方法进行了研究。首先,基于多维加速度功率谱矩阵的研究成果,引入激励输入角度和相应参数,推导了能合理考虑激励输入方向的加速度功率谱和基于平稳随机振动求解响应的计算公式。然后再引入位移谱,利用其能合理考虑激励非平稳性的特点,提出了水平双向的实用反应谱法计算公式。最后,以平面为L形的空间钢结构为例,对不同输入角度时的节点位移公式计算值与多条地震波的时程响应值进行了比较,证明该计算方法是合理的,可供结构抗震设计与分析作参考。     

高速铁路客站模态特征分析与阻尼模型的注记

针对"房桥合一"高速铁路客站质量、刚度分布严重不均匀、不同阻尼比构件繁多等特点,对其模态特征和用于时程法阻尼模型的确定进行了研究。通过位能加权激励原理和位能公式的阐述、天津西站II区的模态分析与振型分解时程法的应用,并以此为标准进行了5种不同瑞利阻尼比例系数时程法的响应比较。结果表明:位能加权法激励为各模态的振型响应,求得阻尼为振型阻尼,结构模态质量累计数突变发生在第9阶,选择第1,9阶振型确定的瑞利阻尼比例系数较合理。振型分解时程法的振型阻尼可基于振型响应的位能加权法确定,直接时程法的瑞利阻尼宜选择第1阶与模态质量累计数发生突变的振型来确定,可供结构设计与分析参考。     

空间网格结构多维多点随机地震响应分析的高效算法

将林家浩教授提出的“虚拟激励法”进一步推广应用于空间网格结构多维多点非平稳随机地震响应分析,推导了多维虚拟激励随机振动分析方法的理论公式,给出了峰值响应估计方法,并讨论了多维地震动的随机模型及参数选取,通过编制的专用计算机程序分析了网壳结构的随机地震响应。本方法自动包含了参振振型间及各输人地震分量间的相关项,计算精确、快速,非常适合分析频率密集型空间网格结构的随机地震响应,是一种高效的随机振动分析算法。     

基础隔震耗能结构基于Kanai-Tajimi谱的随机响应简明解法研究

针对在Kanai-Tajimi谱激励下设置广义Maxwell阻尼器的多自由度基础隔震耗能结构进行响应分析比较复杂的问题，提出一种求解响应的简明解法。首先，联立广义Maxwell阻尼器本构方程与原结构运动方程，重构结构运动方程；其次，利用复模态法将运动方程解耦获得了系列响应的特征值以及复模态参与系数，进而获得结构系列响应的统一表达式；最后，计算激励功率谱与响应功率谱的二次正交式，获得了结构响应0～2阶谱矩及方差的简明解析解。算例计算了一多自由度结构响应的方差及0～2阶谱矩，将计算结果与虚拟激励法进行比较，证明本文所提方法的正确性，同时具有更高的计算效率。     

基于虚拟激励法的消能减震结构随机响应分析

基于虚拟激励法推导了用于具有非比例阻尼特征的消能减震结构在随机地震激励下计算其响应功率谱的一般解答.该法避免了复模态方法的复数运算,可高效地求出响应功率谱和均方响应.算例验证分析说明该方法符合工程经验,具有很高的计算效率.     

多维地震动各方向相关性对拱坝动应力的影响

本文将随机振动的虚拟激励法与拱坝-地基动力相互作用FE-BE-IBE时域模型结合，发展了一个可以考虑多维随机地震动作用下的拱坝动力响应计算模型，并用Monte Garlo方法对模型进行了验证，计算结果表明，地震动分量的相关性对结构的动力响应存在一定影响，合理考虑地震动各方向分量的相关性可以更好地计算实际地震作用下的拱坝动力响应。     

多维多点虚拟激励法在ANSYS中的应用

为了进一步推广多维多点虚拟激励法在工程中的应用,以通用有限元软件ANSYS谐分析模块为平台,在结构有限元模型各支撑处激励方向上置大质量块后,直接将地震虚拟激励荷载施加于大质量块上,运用绝对位移直接求解运动方程.与传统虚拟激励法相比,该法不必将绝对位移分解为拟静力位移项和动力相对位移项,避免了求解静力影响矩阵的繁琐,能更...     

实用多点输入虚拟激励法在通用有限元软件中的实现

虚拟激励法是高效便捷的随机振动分析方法,可用于地震多点输入随机响应分析,但现有通用有限元软件无法直接实现多点输入虚拟激励法。首先将虚拟激励法改进为更实用的形式,使其便于编程实现,然后借助有限元软件ANSYS的二次开发功能实现了多点输入虚拟激励法在ANSYS中的应用,扩展了ANSYS在地震多点输入计算领域的功能,也为地震多点输入研究提供了更为简便有效的计算平台。对一简单模型多点输入的理论解析解和ANSYS计算结果进行比较,验证了该实现方法的准确性和可行性。     

多点激励下结构随机地震反应分析的反应谱方法

基于随机振动理论,提出了多点激励作用下线性系统随机地震反应分析的均值反应谱方法,给出了结构峰值反应的均值、标准差以及反应平均频率的反应谱组合公式。这可以将反应谱方法推广应用到多点激励结构的抗震可靠度分析中。鉴于组合公式中谱参数和相关系数需要由烦琐的数值积分得到,本文进一步针对它们给出合理的简化计算式,从而使得建议的反应谱方法的计算效率大大增加。最后,以一个双塔斜拉桥为例,对本文方法进行了验证。基于建议方法的计算结果与Monte Carlo模拟结果吻合较好。与经典的多点激励反应谱方法(MSRS法)比较,本文方法具有其无法比拟的计算效率。     

四渡河大跨悬索桥空间地震响应分析

非一致激励输入对大跨结构响应有着较大影响。本文以四渡河悬索桥为背景,首先根据该桥动力特性对规范反应谱进行调整,基于修正反应谱并考虑相位非平稳性合成地震动位移;然后编制了调索程序来确定有限元模型的初始平衡构型;采用时程法,分别分析了在纵桥向、横桥向以及竖向的非一致激励(行波输入、多点输入)下的悬索桥地震响应。计算结果表明,纵向非一致激励输入增大了悬索桥的地震响应,横向、竖向非一致激励输入的影响有增有减。     

高速铁路车-桥耦合体系地震响应分析及报警阈值研究

高铁是国民经济大动脉的重要组成部分,运输业的生力军。"十二五"规划中将铁路运输安全放在十分重要的位置,并明确提出"大规模发展具有运能大、安全舒适、全天候运输、环境友好和可持续性等优势的高速铁路"的重要目标。由于我国地震频发,地震灾害对我国的高铁网络构成了严重的威胁,而目前我国高速铁路线路中桥梁所占的比例已经超过了50%,地震发生时列车运行在桥上的概率增大,因此,考虑车-桥耦合作用的高铁列车地震安全性评价和地震报警阈值研究有待于进一步加以推进。我国高铁地震报警和紧急处置系统的研究和示范工程建设才刚刚起步,目前系统尚未得到真实地震的检验,经验积累较少,所采用的一些技术参数,如报警阈值等的合理性有待于进一步研究论证,需要解决的一些关键问题有:(1)合理的车-桥耦合模型的构建;(2)车-桥耦合体系地震响应的分析;(3)基于中国高速铁路轨道谱的高铁列车地震安全性评价;(4)确定合理的高铁列车地震报警阈值。本文主要针对以上几个关键问题开展研究工作,主要研究内容和成果如下:(1)模型研究。基于现有基础调研资料确定列车模型和桥梁模型具体参数以及车-桥耦合接触关系。通过弹簧和阻尼器建立桥梁与轨道、轨道与列车之间的连接,建立了高铁列车-高架桥耦合有限元模型,通过车-桥耦合动力特性分析验证模型的合理性。轮轨接触力基于空间动态轮轨关系求解:基于非线性赫兹接触理论计算轮轨法向力,基于Kalker线性理论计算轮轨蠕滑力,再通过Hedrick-Elkinss理论对计算结果进行非线性修正。(2)车-桥耦合地震响应分析。选取典型地震动加速度时程作为外部激励,对车-桥耦合体系地震响应进行分析研究,得到车-桥耦合体系桥面加速度响应放大系数,研究地震频谱特性对桥面地震响应的影响规律。同时建立不考虑高铁列车的等跨单桥模型,对其进行地震响应分析,与车-桥耦合模型计算结果进行对比分析。结果表明,车-桥耦合模型与单桥模型动力特性和地震响应存在一定的差异,在高铁桥梁地震响应分析中,考虑车-桥耦合是必要的。(3)高铁列车地震响应分析。以计算得到的车-桥耦合体系桥面加速度时程作为输入,同时分别采用中、德轨道不平顺样本作为内部激励,基于车-轨耦合动力分析理论,对高铁列车地震反应进行计算分析,得到列车的动力响应值,包括列车的脱轨系数、轮重减载率、横向轮轨力等,并对比规范中该三项指标限值,对高铁列车地震安全性进行评价。结果表明,基于中国轨道谱计算得到的地震作用下列车安全性三项指标值与按照德国谱计算得到的结果差异较大,采用德国谱计算得到列车安全性评价三项指标值均大于中国谱,较中国谱偏于保守。(4)高铁列车地震报警阈值研究。选取不同频谱特性的典型地震动记录,通过调整地震动峰值进行大量计算分析,基于高铁列车安全性三项指标求解得到不同车速下允许的地震动强度限值曲线,对全部地震动记录对应的限值曲线进行包络取值,得到最小包络限值曲线,对其进行适当简化,最终给出不同车速下高速铁路列车地震紧急处置系统的报警阈值建议值和简化公式。研究结果表明,考虑高速铁路轨道谱,采用德国谱比中国谱得到的地震报警阈阈值小。由于德国谱目前在国内应用较为广泛和成熟,有必要进一步验证中国高速铁路轨道谱的合理性与可行性,并应用于实际工程。     

两结构高效阻尼控制系统随机动力反应分析

对由高效阻尼装置(HEDMS)连接的两单自由度相邻结构在过滤白噪声激励下的相对位移响应进行了随机分析。在对阻尼装置滞变位移等价线性化的基础上，采用虚拟激励法计算结构响应的谱密度和互谱密度，研究了该阻尼装置各参数对位移响应方差的影响以及该装置的适用范围。     

多点输入反应谱中耦合系数的研究

首先利用虚拟激励法推导了仅考虑行波效应下多点输入反应谱表达式,重点对多点输入反应谱中动位移耦合系数ρijpq及拟静位移耦合系数ρSpq的计算方法及其特性进行了研究。为了避免繁琐的积分运算,提出了一种"拟合+插值"的耦合系数计算方法,不但精度高,而且大大提高了计算效率。研究表明,ρijpq相对于地震波到达支座点的时差Δt具有明显的三角函数的关系;从总体趋势上看,ρijpq绝对值基本随ωj/ωi的增大而减少,这一点与一致输入时的振型耦联系数ρij相同。在仅考虑行波效应的情况下,可以认为,各支座点的拟静力位移完全相关,即ρSpq=1,结构拟静力位移谱与地震动的位移谱相同。     

多点输入下大跨空间索结构的非平稳响应分析

将非平稳地面运动的加速度表示为零均值的平稳随机函数乘以调制函数的形式,借助于虚拟激励法,解决了计算量与精度的矛盾,计算了大跨空间索结构的随机地震响应,即时变加速度功率谱和时变位移方差,比较分析了多点和一致2种输入方法下索结构非平稳响应的差异及多点输入下结构平稳和非平稳响应的差异,并且分析了视波速、结构跨度和阻尼比等因素的影响。通过分析可以看出虚拟激励法对于分析大跨度空间索结构的非平稳随机地震响应是非常适合的,而且是高效的。     

某异型钢管混凝土拱桥地震反应分析

本文以某异型钢管混凝土拱桥为研究对象,通过ANSYS建立了结构的空间有限元模型,计算和分析了该桥的动力特性。同时,通过MATLAB程序生成拟合规范反应谱的人工地震波,并运用时程分析法计算了该桥在一维和多维输入下的地震反应,分析了该桥的地震反应规律,为钢管混凝土拱桥的抗震性能分析提供了一定的依据。     

考虑行波效应的车桥系统地震响应分析

借助虚拟激励法,本文研究了非一致水平地震作用下三维车桥耦合时变系统的非平稳随机振动问题。通过轮轨间位移协调关系将列车和桥梁运动方程进行耦合,建立了考虑行波效应的多点地震激励下列车-桥梁时变系统运动方程。水平地震激励假设为均匀调制多点异相位完全相干随机激励;轨道不平顺激励假设为多点异相位完全相干平稳随机激励。采用时变系统的虚拟激励法将这些随机激励分别转化为一系列虚拟的确定性激励,然后通过数值积分求解相应的虚拟响应,进而方便地得到系统随机响应的时变功率谱密度函数和标准差等。数值算例中,通过Monte Carlo法验证了本文随机振动分析方法的正确性和有效性,并讨论了地震波视波速、场地土条件等对系统随机响应的影响。     

场地局部效应对地下管线的影响

将实际地震动看作非平稳随机过程,地震动不仅具有时域非平稳性,而且具有频域非平稳性。SMART-1台阵地震记录分析结果已证实,地震时地面上各点在同一时刻的地震动时变自功率谱存在一定的差异。时变自功率谱的差异对地下连续管线的影响还不十分清楚。利用随机振动理论中的虚拟激励法计算了均匀介质中地下连续管线纵向和横向的地震响应,给出了场地局部效应对均匀介质中地下连续管线的影响。分析结果表明,场地局部效应对均匀介质中地下连续管线地震反应的影响很小。因此,实际计算时可忽略场地局部效应。     

钢管混凝土空间组合桁架连续梁桥地震响应影响分析

为揭示河谷场地"钢管混凝土空间组合桁架连续梁桥"地震响应规律,以京昆高速公路"干海子特大桥"为工程背景,建立其三维有限元动力计算模型;采用有限元与间接边界积分方程耦合法(FEM-IBIEM耦合法)进行场地反应计算,并通过多点激励(改进LMM法)方式进行地震动输入,研究行波效应、局部场地效应对其地震响应影响,并和一致激励进行比较,结果表明:该类桥梁低墩较高墩对地震动更敏感,且在墩高突变区域最为明显;较一致激励和高墩和对应梁跨,行波效应增大其墩底轴力、跨中下弦杆和斜腹杆轴力,但减小其它量测值;低墩和对应梁跨,行波效应减小其墩底弯矩、墩顶位移和跨中位移;较一致激励和行波效应,局部场地效应显著增大了大多桥墩和梁跨的位移和内力,且对墩高突变处低墩、梁跨的放大作用最为明显,因此对于河谷场地中"钢管混凝土空间组合桁架连续梁桥"抗震设计,特别是墩高突变区的低墩和梁跨,必须重点考虑局部场地效应的影响。     

刚构桥随机地震动响应的简明解析解及等效地震力计算

顺桥向随机地震动作用下,大跨度刚构桥墩梁固结处墩顶产生动弯矩会引起桥跨产生动弯矩,从而会引起桥跨结构水平及竖向耦合振动。针对现行刚构桥随机地震动响应无解析解的问题,提出了一种分析其顺桥向随机地震激励下水平及竖向耦合震动响应分析的简明解析解。首先,建立刚构桥顺桥向激励下水平和竖向耦合振动的地震动方程,利用实模态振型分解法将结构地震动化为以实模态广义坐标表示的系列单自由度地震动方程的线性组合;其次,基于虚拟激励法获得刚构桥实模态广义坐标和结构位移的频域解,并基于二次式分解法获得了上述响应量的0～2谱矩和方差的简明解析解;再次,基于动力学等效原则获得了刚构桥等效地震力的计算式;最后,通过算例验证了所提解析解的正确性,并研究了刚构桥响应量与实模态振型的关系。研究表明：刚构桥地震动分析时需要考虑多个振型的影响,且竖向振动不能忽略。本文所提方法可用于其他复杂桥梁基于复杂平稳随机激励下响应量的分析。