超高层建筑风致振动的现场实测与数值模拟

通过采用现场实测和数值模拟方法,对某超高层建筑的风致振动特性进行研究。在建筑物顶部布置结构振动监测系统,对常态风和台风作用下的结构振动响应进行测量,分析加速度、位移幅值和结构的自振特性。以实测动力特性为基础,建立超高层建筑的等效气动弹性模型,采用平均风剖面入口,联合ANSYS和CFX对风场与建筑物的流固耦合振动进行数值模拟,得到不同顶部风速下,建筑物不同高度处的位移时程、气动力系数时程及频谱分析、尾流旋涡脱落模式。将数值模拟结果与现有的实测结果进行对比分析,表明该方法模拟流固耦合振动是可行的,并可为实际超高层建筑的抗风设计和舒适性计算提供技术依据。     

基于立体视觉的砌体房屋模型振动试验研究

针对结构动态响应监测三维变形的需求,研究立体视觉三维测量算法,建立基于结构测面的世界坐标系,得到结构振动响应三维位移公式.研究圆形标识点边缘检测、中心拟合及匹配约束算法,编译基于MATLAB平台的立体视觉结构振动测试分析软件.使用本文集成的立体视觉测量系统完成不同加速度峰值Taft波及El Centro波作用下砌体房屋模型振动台试验,同时测得结构三维位移时程曲线.面内位移时程曲线表明立体视觉方法与位移计数据吻合非常好,证实立体视觉测量方法的有效性.离面位移时程曲线表明砌体房屋模型在地震动作用下发生扭转,且随地震动加速度峰值增大,扭转反应加剧,充分验证立体视觉方法用于监测结构三维振动响应的可靠性及实用性.     

核环吊缩尺模型抗震性能动力时程分析

为研究核环吊在地震作用下的瞬态响应机理,完成了核环吊缩尺模型的抗震实验,并采用ABAQUS时程分析法研究了缩尺模型的动力响应。首先介绍了核环吊缩尺模型实验的设计方法和准则;其次通过与谱分析的对比分析说明了进行动力时程分析的必要性;最后介绍了ABAQUS中时程分析法的具体方法和步骤。仿真与实验结果的对比分析表明:ABAQUS的Slide-Plane连接单元可准确地模拟大车与小车不跳轨情况下的轮轨约束,验证了关键参数设置方法的准确性,为今后的核环吊产品的抗震设计提供了借鉴和参考。     

弦支穹顶屋盖结构的风振响应研究

弦支穹顶屋盖结构的自重较轻,风荷载作用是结构设计的控制因素,应当对其风振动力响应进行研究.本文采用AR法并结合MATLAB软件对某体育馆椭圆形弦支穹顶屋盖结构的风速时程进行模拟分析,然后进行结构风振响应时程的有限元分析,得出了结构的风振系数和一些有意义的结论:其节点位移风振系数为1.74,位移风振系数随着初始预应力水平的增大而增大;风振响应过程中,拉索的预应力有所降低,靠近结构中心位置拉索的预应力损失率比靠近外部的大;初始预应力越大,预应力损失率越小;弦支穹顶结构环索预应力水平的降低会对结构的风振响应有不利的影响;弦支穹顶屋盖结构只考虑等效静力风荷载作用的结构抗风设计偏于不安全,应当考虑脉动风的作用.     

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。     

不同抗拉刚度支座隔震体系的地震响应分析

采用大型通用软件Abaqus对某拟建高层建筑进行了隔震动力时程分析,隔震支座分别采用拉压等刚度(等刚度模型),拉压不等刚度(不等刚度模型)和释放抗拉刚度(提离模型)3种支座模型,对比了3种支座模型下隔震结构体系的弹性和弹塑性时程响应,包括层间位移角、基底剪力、隔震层位移、支座拉力和支座竖向位移。结果表明:(1)假定上部结构为弹性的隔震体系响应与相应弹塑性体系的响应存在一定的差异,建议罕遇地震分析采用弹塑性模型;(2)支座等刚度模型与不等刚度模型的支座拉力,弹性分析时明显大于规范限值,弹塑性分析时减小,但仍大于规范限值;(3)提离模型能避免支座受拉,而对上部结构弹塑性响应影响较小,对隔震层水平响应基本无影响。     

大跨度球面网壳结构的风振系数研究

大跨度球面网壳结构应用日趋广泛,其结构特点使风荷载常常起主要甚至是控制作用,风振动力响应研究日益受到关注与重视。本文讨论了网壳结构风振响应时程分析计算方法,并采用节点位移风振系数来衡量网壳结构风振特性。对角锥型双层球面网壳结构进行了不同几何参数即跨度、矢高、球壳厚度等多种情况下的位移风振系数的研究,得出该类网壳的风振系数随几何参数的变化规律,并回归出计算公式,为双层球面网壳结构的抗风设计提供参考。     

矩形隧道结构的地震动力破坏研究

为深入研究地震作用下矩形隧道结构的动力响应变化规律,得到隧道结构的失稳破坏机制,通过建立土一隧道结构协同作用的整体力学模型,采用大型室内振动台实验与有限元数值计算对比分析的方法,重点探讨了地震作用下土-隧道结构整体力学模型的加速度时程、频谱特性、位移及土压力等方面的力学响应。研究发现：振动台实验与数值模拟计算的结果变化...     

钢筋混凝土高层建筑抗震时程分析选波方法比较研究

针对钢筋混凝土高层建筑抗震时程分析输入地震波选择问题,以《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2016）设计谱为目标谱,将满足谱匹配原则的加权调幅选波方法与国内学者建议的其它输入地震波选择方法进行了对比研究。以3栋钢筋混凝土高层建筑（15层、30层和44层）为实例,针对8度罕遇地震作用和Ⅱ类场地条件,将上述方法建议的各7条地震波输入结构进行弹塑性时程分析。以结构最大层间位移角均值沿楼层分布为比较参数。结果表明:加权调幅法可用于钢筋混凝土高层建筑抗震时程分析,可以较好地降低结构地震反应均值的离散性。在8度罕遇地震作用条件下,以不同学者建议选择的地震波为输入,高层建筑时程分析结果仍呈现出较大的不同。     

基于OpenSees的强震下混凝土结构梁-梁碰撞行为数值实现

绝大多数针对极端作用下的结构连续倒塌分析,在分析过程中不能实时地根据构件的损伤状态对分析模型进行修改,也不能考虑连续倒塌过程中的各种碰撞问题。连续倒塌过程中发生的碰撞对结构响应预测有重大影响。本文依据钢筋混凝土框架结构发生梁-梁碰撞的机理,基于OpenSees平台建模,结合Matlab的混合编程计算碰撞力,通过添加碰撞时程力并对结构进行模型更新,合理地实现钢筋混凝土框架结构在强震作用下的连续倒塌过程中发生梁-梁碰撞的具体过程。将得到的结果和传统时程分析法的结果进行的对比表明,结合Matlab和OpenSees命令可以实时地计算碰撞力序列和对结构进行更新,梁-梁碰撞和构件的逐步失效使结构的水平位移和转角有一定的增大,竖向位移有一定减小。     

地震作用下钢框架高层结构的抗震性能研究

钢框架高层建筑结构是当前高层建筑设计中使用最为广泛的技术,为提升其抗震性能,本文研究将调谐质量阻尼器安装在钢框架高层建筑结构顶部,考虑到建筑空间需求、防止集中荷载和提升控制效果等因素,在相同楼层或同顶部接近楼层中设置数个较小的、频率一致的子控制装置,通过设置调谐质量阻尼器受控结构等效阻尼比求极值的方法,获取最优刚度与最优阻尼系数;将获取的结果在有限元软件中进行模态分析获取模态质量,实现钢框架高层建筑结构扭转振动的减振控制。实验结果表明,地震荷载下,该方法使得建筑结构顶层角位移峰值和角加速度峰值分别降低50%和30%左右,建筑结构响应下降19%～26%,提高了高层建筑结构的稳定性。     

Effects of high modes on the wind-induced response of super high-rise buildings

For super high-rise buildings,the vibration period of the basic mode is several seconds,and it is very close to the period of the fluctuating wind.The damping of super high-rise buildings is low,so super high-rise buildings are very sensitive to fluctuating wind.The wind load is one of the key loads in the design of super high-rise buildings.It is known that only the basic mode is needed in the wind-response analysis of tall buildings.However,for super high-rise buildings,especially for the acceleration response,because of the frequency amplification of the high modes,the high modes and the mode coupling may need to be considered.Three typical super high-rise projects with the SMPSS in wind tunnel tests and the random vibration theory method were used to analyze the effect of high modes on the wind-induced response.The conclusions can be drawn as follows.First,for the displacement response,the basic mode is dominant,and the high modes can be neglected.Second,for the acceleration response,the high modes and the mode coupling should be considered.Lastly,the strain energy of modes can only give the vibration energy distribution of the high-rise building,and it cannot describe the local wind-induced vibration of high-rise buildings,especially for the top acceleration response.     

混沌遗传算法在高层结构风振控制优化中的应用研究

将混沌遗传算法(Chaos Genetic Algorithm,简称CGA)引入高层结构的风振控制优化中,对采用黏弹性阻尼器来控制风振响应的高层结构进行参数优化;用Matlab语言编制了均布法、迭代法、简单遗传算法(Simple Genetic Algorithm,简称SGA)和混沌遗传算法的风振控制优化分析程序;对9个高层结构进行风振控制优化,对比了算法程序的计算效率以及无控、均布、迭代、SGA和CGA工况下的结构风振响应。研究结果表明:混沌遗传算法可以应用于高层结构风振控制优化之中;混沌遗传算法的计算效率比简单遗传算法最高提升了29%;经混沌遗传算法优化后,黏弹性阻尼器附加给结构的附加阻尼比与均布和迭代相比最高分别提高了61%和22%,CGA工况的顶层加速度响应与均布和迭代法相比最高分别减小了14%和12%。为高层结构风振控制优化研究提供了新思路,具有一定的理论价值和实际意义。     

强震下高层建筑横向晃动反应过程模拟分析

传统的静力弹塑性分析方法对强震作用下的高层建筑的横向晃动反应过程模拟时,存在计算结果不准确、计算用时较长的问题。提出新的强震下高层建筑横向晃动反应过程模拟分析方法,其基于直接积分法的三种方法实施模拟分析。分别是隐式方法、显式方法以及KK模型方法。其中隐式方法和显式方法均能够对不同自由度下的高层建筑的横向晃动位移作出准确的计算,KK模型通过高层建筑Von Mises屈服面,分析高层建筑钢材Bauschinger反应基础上,精确模拟出高层建筑在横向晃动反应中的变形过程。实验结果说明,所提方法对强震作用下的高层建筑的横向晃动反应的运算准确率和效率较高。     

钢筋混凝土建筑在连续震动下的壁板结构破坏程度分析

计算连续震动下钢筋混凝土建筑的壁板结构破坏程度需要对大量数据进行回归计算,不能快速、有效地确定壁板承载力,因此提出一种新型钢筋混凝土建筑在连续震动下的壁板结构破坏程度分析方法。通过确定混凝土建筑材料、钢筋材料、壁板截面与单元材料等属性参数,完成钢筋混凝土壁板结构有限元建模;通过对连续震动下破坏壁板结构的内、外力分析,确定壁板结构总体破坏程度。设计对比实验结果表明,应用新型壁板结构破坏程度分析方法能有效确定壁板抗剪承载力和抗弯承载力,避免因壁板结构失去支撑力,而造成建筑损坏现象发生。     

高层抗震结构造价的改进控制模型研究——基于一恢复重建高层的实例分析

采用WSR模型分析建筑工程抗震结构造价控制问题时,存在造价控制效果差的弊端。通过设计的高层建筑工程抗震结构造价控制模型构建造价控制的递阶层次结构,获取高层建筑工程造价控制的多种方案,从多种方案中通过三标度法和权重向量法获取造价控制的最优方案;另外采用质量量化QoS调度方法进行高层建筑工程造价效益控制约束均衡设计,以获取最优方案中高层建筑工程抗震结构造价控制的结果。实验结果表明,所设计模型可有效分析高层建筑的质量化特征,可改进控制高层抗震结构工程造价,预估消耗成本可控制在1.8万元以下,且分析耗时均值为0.15 h,具有节省成本和效率快的优势,控制效果较好。     

高层房屋建筑深基坑支护承压结构局部抗震性试验分析

为了研究地震时地面运动加速度作用下高层房屋建筑深基坑支护承压结构的局部抗震性能，针对高层房屋建筑深基坑支护承压结构进行局部抗震性试验分析。采用有限元软件对某高层房屋建筑深基坑工程进行分析，构建高层房屋建筑深基坑支护承压结构有限元计算模型。利用地震模拟振动台，分别输入0.4g、0.5g、0.6g的地震时地面运动加速度，测试不同深基坑施工阶段和插入比地下连续墙深基坑支护承压结构的抗震性能，并研究不同地震烈度对深基坑支护承压结构位移的影响。通过振型分解反应谱法，获取高层房屋建筑深基坑支护承压结构位移以及加速度响应，实现高层房屋建筑深基坑支护承压结构局部抗震性能测试。试验结果表明，高层房屋建筑深基坑支护承压结构的抗震稳定性与深基坑开挖深度、插入比和地震烈度有关。其中，深基坑开挖深度和地震烈度与高层房屋建筑深基坑支护承压结构的抗震稳定性成反比，而插入比与高层房屋建筑深基坑支护承压结构的抗震稳定性成正比，且能够有效提高高层房屋建筑深基坑支护承压结构的抗震性能。     

Application of artificial neural networks in optimal tuning of tuned mass dampers implemented in high-rise buildings subjected to wind load

High-rise buildings are usually considered as flexible structures with low inherent damping. Therefore, these kinds of buildings are susceptible to wind-induced vibration. Tuned Mass Damper (TMD) can be used as an effective device to mitigate excessive vibrations. In this study, Artificial Neural Networks is used to find optimal mechanical properties of TMD for high-rise buildings subjected to wind load. The patterns obtained from structural analysis of different multi degree of freedom (MDF) systems are used for training neural networks. In order to obtain these patterns, structural models of some systems with 10 to 80 degrees-of-freedoms are built in MATLAB/SIMULINK program. Finally, the optimal properties of TMD are determined based on the objective of maximum displacement response reduction. The Auto-Regressive model is used to simulate the wind load. In this way, the uncertainties related to wind loading can be taken into account in neural network’s outputs. After training the neural network, it becomes possible to set the frequency and TMD mass ratio as inputs and get the optimal TMD frequency and damping ratio as outputs. As a case study, a benchmark 76-story office building is considered and the presented procedure is used to obtain optimal characteristics of the TMD for the building.     

基于LoRa的高层结构地震响应和健康监测系统设计实现

随着我国建造行业逐步向智能建造转型升级,高层结构地震响应和健康监测技术所涉及的传感器数目、待处理的数据量以及系统的复杂性都在不断增加。针对高层建筑结构地震响应和健康智能化监测需求,将物联网LoRa扩频通信技术引入到高层结构智能化监测系统中,设计实现基于LoRa的高层结构地震响应和健康监测软硬件平台方案。该系统由多个LoRa终端节点、LoRa网关、OneNET服务器和用户4个部分组成,监测数据通过LoRa网络传输,LoRa网关通过ESP8266模块接入云平台,将采集到的监测数据形成可视化监测界面。经测试,在城市空旷环境下该系统3 km内的丢包率小于8%,可实现高层结构地震响应和健康监测数据远距离、低功耗的可靠传输,帮助用户进行地震作用下振动反应资料的累积、建筑结构的状态评估和设施管理。