基于结构能量分析的抗震设计新方法的研究

概要介绍了多自由度结构能量分析方法，根据单自由度体系得到的输入能量谱，研究分析了多自由度与单自由度输入能量和耗能的等效性问题，并对一座钢筋混凝土框架结构算例进行了能量计算，对计算结果进行了分析，为能量分析设计方法应用于结构抗震设计进行有益的探索。     

抗震结构的滞回耗能谱

本文在分析不同类型地面运动引起抗震结构不同类型破坏的基础上，指出结构滞回耗能总量是累积破坏的重要参数，以1735条实际地震记录作为输入计算了不同动力参数单自由度体系弹性及弹塑性总输入能量及滞回耗能量，得出计算弹塑性体系滞回耗能谱的简化公式。     

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。     

并联复合隔震体系的地震耗能机制和能量响应分析

运用能量分析法对并联复合隔震体系的地震耗能机制和能量响应进行了分析和探讨。首先,以层间剪切模型的多自由度运动微分方程为基础,建立了并联复合隔震体系的能量平衡方程。其次,引入状态空间法对并联复合隔震体系进行时程分析得到体系的地震响应,并以此为基础计算了各项能量。最后,以7质点多自由度体系为仿真对象,对并联复合隔震体系的耗能机制及其主要隔震层参数和不同特性地震动对能量响应的影响进行了分析。结果表明,并联复合隔震体系地震总输入能主要由滞回耗能和阻尼耗能承担;摩擦承压比和摩擦系数对能量响应有重要影响,存在最优取值区间;地震能量响应受地震动特性影响较大。     

基础隔震结构的能量设计方法

本文以能量分析方法为基础,解释了基础隔震结构体系的能量设计原理和设计准则。根据作者建立的标准能量设计反应谱曲线,结合我国现行的抗震设计规范,建立了基础隔震结构体系的能量设计方法,通过能量平衡关系对隔层的变形反应进行预测．最后通过算例说明能量设计方法具有一定的可靠性,为该类体系的进一步推广奠定了基础。     

不同阻尼体系地震能量输入及阻尼能量耗散计算分析

本文给出了复阻尼体系地震能量输入及阻尼能量耗散计算公式。利用天津、E1Centro、迁安记录及Mexico地震Cale记录计算了复阻尼及粘性阻尼体系的地震能量输入及阻尼能量耗散,并绘制了相应的时程曲线。计算所用阻尼比取0．1及0．05,周期分别取0．3s,0．5s,1s,1．5s及5s。通过计算我们观察到,除迁安记录外,在其它几个地震作用下,对固有周期小于1s的短周期结构,复阻尼体系能量输入及阻尼能量耗散时程曲线值高于相应的粘性阻尼体系(对迁安记录固有周期需小于0．5s)。对中周期结构,两组曲线相近,对于长周期结构,复阻尼体系的能量时程曲线值低于相应的粘性阻尼体系值。对于每个地震记录,有一个临界值,体系的固有周期小于此值时,不同阻尼模型的能量输入、阻尼能量耗散时程曲线值无大差异,当周期大于此值时,不同阻尼模型的能量输入及阻尼能量耗散时程曲线差异较大。复阻尼体系对周期的敏感程度远大于粘性阻尼体系。当周期不变,阻尼比增大时,在峰值点之后,复阻尼体系能量时程曲线基本无大的变化,粘性阻尼体系能量时程曲线有抬高趋势。     

框架结构地震输入能量影响因素研究

通过对框架结构弹塑性地震输入能量反应的分析,采用基于等效单自由度体系的振型分解能量求解方法,输入多条真实地震波,综合分析了地震动三要素对地震总输入能量的影响规律,通过实例计算表明:框架结构体系的输入能量与地震波的峰值平方成正比,地震波的卓越周期越大、持时越长,总输入能量也越大.     

可控消能减震原理及结构分析

本文介绍一种新的减震结构体系及其分析方法。这种结构体系的减震系统由控制装置及耗能装置组成，控制装置根据结构反馈的相关信号，在回头点处启动耗能装置，耗散大量地震能量，属于半主动控制范畴。试验及理论分析表明，这种结构体系的减震效果良好，能够将结构的地震位移反应降低５０％以上。本文介绍了这种结构体系的减震工作原理、数学模型、理论分析方法及算例，并给出了相应的结论。     

配置自复位耗能跨低多层钢框架体系的能量系数

利用超弹性SMA螺栓梁柱节点的耗能能力和自复位特性,将其引入到耗能跨而构建"自复位耗能跨",基于既有的节点试验研究结果对结构体系的滞回性能进行了探讨。在此基础上,以具有旗形滞回特征的单自由度体系为工具,对配置自复位耗能跨低多层钢框架体系的能量系数进行推导。能量系数可以合理量化具有旗形滞回规则结构的峰值响应需求,能量系数越低,表明地震动下结构的峰值响应越低。为了阐明滞回参数对能量系数的影响,对具有不同滞回参数组合可代表低多层结构的等效SDOF体系进行了非线性动力分析,参数组合包括周期、屈服后刚度比、延性系数及能量比。同时对能量系数的离散性也进行了分析。结果表明:能量系数及能量系数的离散性受结构周期、屈服后刚度比及延性系数影响较大,受能量比的影响较小。     

基于小波方法的多自由度体系地震动输入能量研究

对多自由度体系应用小波分解的地震激励,将地震动总输入能量表示为不同频段地震动输入能量的叠加.与单自由度体系相比,多自由度体系应用小波分解会产生较大的误差,这并不影响研究小波分解后各频段对单一固有振型输入能量的贡献.这样可以从频率的角度分析多自由度体系的地震动输入能量.     

隔震换能结构体系的能量分析

将换能器安装在隔震结构的隔震层处,由结构和换能装置构成隔震换能结构体系,它既可以将地震输入给结构的部分能量转换成液压能,实现地震能量的转换,又能减小隔震层的水平位移,降低对隔震层的技术要求,降低造价。本文详细研究地震输给隔震换能结构体系的能量在体系各部分的分配,并与普通隔震结构对比,从能量的角度揭示隔震换能体系的换能控制原理。     

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。     

单自由度自复位体系设计能量谱研究

本文对具有旗帜型滞回模型的单自由度自复位体系提出了设计能量谱的构造方法,包括设计输入能量谱和设计滞回耗能比谱。首先按中国规范场地类别选取360条实际强震记录进行时程分析,对影响单自由度自复位体系输入能量谱和滞回耗能比谱的参数,包括地震波类型、滞回模型、阻尼比、延性系数等进行研究。在此基础上分别建议了设计输入能量谱和设计滞回耗能比谱及其曲线参数的确定方法,并与实际强震记录计算结果进行比较。结果表明结构滞回模型对能量谱影响明显;阻尼比和延性系数对输入能量谱的影响在整个周期范围内有显著差异,但均有明显的削峰作用。建议的两种设计能量谱综合考虑了结构参数、地震波参数和中国场地类别的影响,可以较好的拟合实际情况,并对弹塑性单自由度自复位体系在地震作用下的耗能需求做出较准确的估计。     

主动变刚度结构的动力卸载效应

本文讨论了主动变刚度结构体系AVS(Active Variable Stiffness)的动力卸载效应。结构体系中的AVS控制器关闭或开启瞬时，结构系统刚度分布发生突变，通常也伴随着对系统的能量输入或输出，使得该瞬时结构体系相应受到—加速度增量作用，此增量的方向与结构加速度方向相反，能有效地抑制结构体系的刚度不变层向刚度突变层的动力卸载。此外，文中分析了AVS控制器闭合或开启引起的结构体系相对于原结构的第i阶自振频率摄动，进而讨论了AVS控制器的开关控制律和结构的自振频率摄动及动力卸载效应的相互关系。理论分析和计算结果表明：在合理的结构变形位置闭合或开启AVS控制器，动力卸载效应对结构体系的不利作用及结构体系的频率特性相对于原结构改变很小。     

桥梁隔震体系振动台试验研究(Ⅲ)——测试结果分析

根据前文所述的测试结果，本文主要分析了隔震构造、橡胶支座水平刚度1地震输入频谱特性、地震烈度、输入方向、桥墩高度、桥墩嵌固程度等因素对隔震效果的影响，揭示了隔震体系耗散地震能量输入的机理，所得出的结论对工程实践具有指导意义。     

基于小波变换的结构地震响应与能量计算分析

多分辨分析可将地震信号分解到不同的频段。本文推导了运用多分辨分析计算多自由度体系地震响应的基本公式,讨论了各频段地震信号及结构响应的能量分配。最后,通过多自由度体系的算例验证了弹性体系在原始地震作用下的动力响应可以由该地震作用在时域的各小波分量的动力响应叠加而得,同时将高频抑制后的重构信号应用于近似模型的计算,并利用能量分析明确了地震信号与结构响应在各频段的能量分配。     

近地空间大尺度电流体系

本文简要叙述了磁层-电离层系统大尺度电流体系的观测和研究的基本原理.对五种主要电流体系的形成机制、形态学特征及其在日地能量耦合过程中的作用进行了讨论.     

地震波传播的哈密顿表述及辛几何算法

地震波传播过程本质上是能量在传播过程中逐步损耗直至殆尽的过程，而在实际应用中，常在无能量损耗假设下，用弹性波动方程或标量波动方程描述它.在哈密顿(Hamilton)体系表述下，地震波传播过程即为一个无限维的哈密顿系统随时间的演化过程.若不计能量损耗，波场演化过程实质上为一个单参数连续的辛变换，因而对应的数值算法应为辛几何算法.本文首先从地震波标量方程出发，给出哈密顿体系下地震波传播的表述，即任意两个时刻的波场是通过辛变换联系起来的.随后，把波场在时间和相空间离散化后，给出了用于波场计算的一些辛格式，如显式辛格式、隐式辛格式和蛙跳辛格式.并进一步讨论了有限差分格式和辛格式的异同.然后，应用显式辛格式和同阶的有限差分方法给出了同一理论速度模型下的波场和Marmousi速度模型下的单炮记录.数值结果表明，辛算法是一类可行的波场模拟的数值算法.在时间步长较小时，有限差分方法是辛算法的一个很好近似.文中的理论和方法，为地震波传播理论及实际应用研究提供了新的途径.     

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。     

分层土-基础-高层框架结构相互作用体系振动台模型试验研究

本文设计实现了分层土－基础－高层框架结构相互作用体系的振动台模型试验，再现了地震动激励下上部结构和基础的震害现象和砂质粉土的液化现象。通过试验，研究了相互作用体系地震动反应的主要规律：由于动力相互作用的影响，软土地基中相互作用体系的频率小于不考虑结构－地基相互作用的结构频率，而阻尼比则大于结构材料阻尼比；体系的振型曲线与刚性地基上结构的振型曲线明显不同，基础处存在平动和转动。土层传递振动的放大或减振作用与土层性质、激励大小等因素有关，砂土层一般起放大作用，砂质粉土层一般起减振隔振作用；由于土体的隔震作用，上部结构接受的振动能量较小，各层反应均较小。上部结构顶层加速度反应组成取决于基础转动刚度、平动刚度和上部结构刚度的相对大小。