地震动随机模型及结构响应控制

论文摘要

本文包括两大部分的内容:第一部分是地面运动随机模型及结构随机响应分析、第二部分结构耗能减震控制。第一部分研究内容包括:随机地震动过程的功率谱模型的研究、采用均匀调制模型模拟地面运动过程以及基于均匀调制过程的人工地震波的合成方法研究;均匀调制过程作用下结构的随机响应、以及振型分解标准差谱分析算法。第二部分研究了两类新型建筑结构减振阻尼器以及一种新型阻尼减振体系,并对两个耗能减振工程的抗震、减振分析以及大震验算方法进行了讨论。分述如下:1.文中提出一种Markov模型。该模型构造简单、相应的结构随机响应的求解公式也非常简单,简化了求解结构随机响应的工作,易于使用。在Markov模型的基础上,进而发展出修正金井清谱和高阶复合Markov模型,二者各具优势,特别是修正金井清谱,弥补了金井清模型的低频缺陷,而高频部分保持与金井清模型一致,可以用来替代金井清模型。2.本文提出依据与功率谱模型对应的方差谱来考察功率谱模型的合理与否。即用结构响应反过来考察输入模型是否合理。而且对于工程结构而言,地震动模型的最主要的用途就是用于求解结构的地震响应。一个能够正确描述结构在地震作用下响应规律的地震动模型就是一个合适的模型,其他的限定条件并不重要。基于此思路,本文得出如下结论:在基于力的设计方法中,只要功率谱模型能够足够接近的拟合实际地震动的平均功率谱曲线,该模型就可以用以模拟地震动过程;在基于位移的设计方法中,需要对功率谱模型做出更为严格的限定。3.提出一种合成多阻尼反应谱的人工地震波算法,该算法有以下四个特点:一是一次生成多条初始人工波,从中挑选最为接近目标谱的作为迭代的初值;二在选择周期控制点迭代顺序时,先调整长周期分量,再调整短周期分量;三是在同一周期点中,对多个阻尼比水平的反应谱值进行拟合时采用了优化算法;四是采用调制余弦函数作为调整增量频响函数在时域内进行修正和迭代,在这种情况下调整增量频响函数的参数可以方便的求得。该算法收敛速度快,计算效率高,实际应用表明,合成一条满足三阻尼比反应谱的地震波在微机上仅需1分钟左右。4.均匀调制模型作用的结构随机响应很难给出解析解。本文提出了一种大质量扩阶解法,可以将一般调制过滤白噪声过程作用下工程结构随机响应问题,转化为求解均匀调制白噪声过程作用下的随机响应,然后给出了均匀调制白噪声作用下的计算公式,可以很方便的求解。本文给出了常见的几种功率谱模型转化为白噪声激励的过滤模型,并对其有效性进行了验证。5.目前的设计方法是基于确定性分析,结构设计中的概率含义较为模糊。本文提出振型分解标准差谱法,该方法可用于计算结构的标准差响应。在地震动为零均值高斯过程的假定下,可以获得结构设计承载力的概率密度函数,进而明确给出构件在设计地震作用下可能会发生破坏的概率分布。是对目前反应谱设计结果的有益补充和检验。6.目前已有的位移型耗能装置提供的附加阻尼大都与变形幅值相关。本文提出一种变摩擦装置,该装置具有线性阻尼的基本特征,而且其等效刚度为0。因而可以像粘滞阻尼器一样既可以提供随运动幅值变化的阻尼力,又不改变结构的振动频率。另外,粘滞阻尼器属于速度型,对于长周期结构其效果不如短周期结构,而本文提出的线性变摩擦装置对长周期结构也有很好的减震控制。通过编制非线性时程分析程序,以及在IDARC软件中添加变摩擦滞回模型,对变摩擦阻尼器的几种滞回模型的减震效果进行了研究。结果表明该装置具有优良的减震效果。7.提出一种剪切型铅阻尼器,该阻尼器简化了常见的铅剪切阻尼器的构造,滞回性能稳定,性价比高。通过有限元分析和试验研究,深入研究了该阻尼器的耗能机理和参数影响规律。试验表明该阻尼器性能优良,适于在土木工程中推广应用,现已成功应用于两个实际工程。8.一些工程由于美学或使用功能的要求,不能提供合理的安装空间。本文提出一种建筑结构分布式阻尼减震方法,该方法可以解决常见阻尼器应用时需要较大空间的问题,而且无需进行类似常规阻尼器的维护和检修工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.1.1 设计地震动的确定方法
• 1.1.2 地震动过程的随机模拟
• 1.1.3 结构随机地震响应
• 1.1.4 结构耗能减震控制
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 强震地面运动的功率谱模型
• 1.2.2 均匀调制模型与相应的结构随机响应分析
• 1.2.3 合成人工地震波
• 1.2.4 标准差谱与反应谱
• 1.2.5 变摩擦的研究
• 1.2.6 剪切型铅阻尼器的研究
• 1.3 本文的研究内容
• 1.3.1 强震地面运动的功率谱模型及评价功率谱模型的标准
• 1.3.2 均匀调制模型的性质
• 1.3.3 基于均匀调制模型的人工地震波合成方法
• 1.3.4 均匀调制模型作用下结构随机响应的分析方法
• 1.3.5 研究计算多自由度结构方差响应的振型分解标准差谱法
• 1.3.6 筒式变摩擦阻尼器
• 1.3.7 剪切型铅阻尼器
• 1.3.8 分布阻尼减震体系
• 第2章 强震地面运动的平稳随机模型
• 2.1 引言
• 2.2 现有功率谱模型
• 2.2.1 平稳白噪声模型
• 2.2.2 限带白噪声
• 2.2.3 金井清模型
• 2.2.4 巴尔斯坦模型
• 2.2.5 胡聿贤－周锡元模型
• 2.2.6 Penzien 模型
• 2.2.7 欧进萍模型
• 2.2.8 杜修力模型
• 2.2.9 赖明模型
• 2.2.10 洪峰模型
• 2.2.11 李春祥模型
• 2.3 复合Markov 模型
• 2.3.1 复合Markov 模型的峰点频率
• 2.3.2 复合Markov 模型的自相关函数
• 2.3.3 复合Markov 模型的过滤模型Ⅰ
• 2.3.4 复合Markov 模型的过滤模型Ⅱ
• 2.4 修正金井谱
• 2.4.1 修正金井谱的特点
• 2.4.2 用修正金井清谱拟合实际功率谱数据
• 2.5 高阶复合Markov 模型
• 2.5.1 高阶复合Markov 模型的特点
• 2.6 修正金井清谱与高阶复合Markov 模型的对应关系
• 2.7 带低频减量的修正金井清模型
• 2.7.1 带低频减量的修正金井清模型的自相关函数
• 2.8 共轭复指数过程
• 2.9 平稳过程激励下结构的随机响应
• 2.9.1 平稳响应的标准差谱的算法
• 2.9.2 平稳白噪声过程的标准差谱
• 2.9.3 平稳限带白噪声过程的标准差
• 2.9.4 平稳复合Markov 过程的标准差谱
• 2.9.5 平稳修正金井清过程的标准差谱
• 2.9.6 平稳高阶复合Markov 过程的标准差谱
• 2.9.7 平稳带低频减量的修正金井清过程的标准差谱
• 2.9.8 平稳金井清过程的标准差谱
• 2.10 均匀调制模型中评价功率谱模型的标准
• 2.10.1 基于平稳理论的积分和微分标准
• 2.10.2 基于结构动力响应对地面运动模型的讨论
• 2.10.3 标准差谱分析结果的解释
• 2.11 修正金井清模型与金井清模型的对比
• 2.12 本章小结
• 第3章 地震动均匀调制模型
• 3.1 引言
• 3.2 包线函数
• 3.2.1 分段强度包线函数
• 3.2.2 双指数包线函数
• 3.2.3 指数衰减正弦函数
• 3.2.4 指数衰减线性函数
• 3.2.5 指数衰减非线性函数
• 3.3 均匀调制模型的零频缺陷及其改进
• 3.3.1 均匀调制模型存在零频分量的证明
• 3.4 调制过滤模型
• 3.4.1 时域加窗去均值方法
• 3.5 改进均匀调制模型作用下结构的随机响应的计算方法
• 3.5.1 加窗去均值均匀调制过程作用下结构时变方差响应分析
• 3.5.2 算例：加窗去均值均匀调制过程作用下结构时变方差响应
• 3.5.3 调制过滤过程作用下的结构方差响应
• 3.6 基于均匀调制模型进行人工地震波合成方法
• 3.6.1 生成初始人工地震波的一般方法
• 3.6.2 对初始人工地震波常用的调整方法
• 3.6.3 包含优化算法振幅调制余弦时程叠加法
• 3.6.4 振幅调制简谐时程叠加法
• 3.6.5 采用振幅调制余弦时程叠加法合成与多阻尼比设计反应谱一致的人工波
• 3.6.6 改进脉冲响应函数时域叠加法
• 3.7 本章小结
• 第4章 均匀调制过程作用下工程结构的随机响应
• 4.1 引言
• 4.2 分段包线函数调制的共轭复指数随机过程作用下的方差分析
• 4.2.1 基于复模态理论的结构方差响应分析方法
• 4.2.2 分段包线函数调制的共轭复指数过程作用下的一阶系统的互相关函数
• 4.2.3 基于复模态理论计算结构方差响应的算例
• 4.3 大质量扩阶解法
• 4.3.1 过滤层绝对加速度
• 4.3.2 过滤层相对加速度
• 4.3.3 过滤层相对速度
• 4.3.4 过滤层位移
• 4.4 平稳随机响应的算例
• 4.4.1 金井清谱
• 4.4.2 修正金井清谱
• 4.4.3 带低频减量的修正金井清谱
• 4.4.4 Penzien 谱
• 4.5 均匀调制过程作用下的结构方差响应的大质量扩阶解法
• 4.5.1 功率谱为杜修力模型的均匀调制过程的算例
• 4.6 大质量扩阶解法的几个问题
• 4.6.1 改变强度包线调制位置的影响
• 4.6.2 大质量扩阶解法与数学扩阶解法的比较
• 4.7 本章小结
• 第5章 结构抗震设计的振型分解标准差谱法
• 5.1 前言
• 5.2 加速度时程的标准差曲线与时程强度变化趋势的对比
• 5.2.1 由幅值谱求解功率谱的算法
• 5.2.2 人工地震波的时变标准差
• 5.2.3 强震记录的时变标准差
• 5.3 加速度时程的标准差谱与反应谱
• 5.3.1 均匀调制杜修力过程的标准差谱与时程样本的反应谱
• 5.3.2 均匀调制修正金井清过程的标准差谱与时程样本的反应谱
• 5.3.3 实际加速度记录的标准差谱与时程样本的反应谱
• 5.4 基于标准差谱的设计方法
• 5.4.1 设计标准差谱
• 5.4.2 基于设计标准差放大倍数谱的方差分析理论
• 5.4.3 算例
• 5.5 本章小结
• 第6章 筒式变摩擦阻尼器
• 6.1 前言
• 6.2 筒式变摩擦的构造
• 6.3 筒式变摩擦阻尼器的作用机理和滞回性能
• 6.3.1 三角形滞回曲线
• 6.3.2 三角形组合矩形滞回曲线
• 6.3.3 带GAP 的三角形滞回曲线
• 6.3.4 带起滑平台的三角形滞回曲线
• 6.3.5 双平台的摩擦滞回曲线
• 6.4 三角形滞回单元的研究
• 6.4.1 三角形滞回规则
• 6.4.2 单自由度结构的非线性时程分析
• 6.4.3 单层钢筋混凝土框架的非线性时程分析
• 6.4.4 安装三角形滞回单元后结构振动周期的变化
• 6.5 带起滑平台的三角形滞回单元的研究
• 6.5.1 带起滑平台的三角形滞回模型的数学描述
• 6.5.2 单自由度结构的非线性时程分析
• 6.5.3 单层钢筋混凝土框架的非线性时程分析
• 6.6 双平台摩擦滞回单元的研究
• 6.6.1 双平台滞回模型的数学描述
• 6.6.2 单自由度结构的非线性时程分析
• 6.6.3 单层钢筋混凝土框架的非线性时程分析
• 6.7 本章小结
• 第7 章剪切型铅阻尼器
• 7.1 前言
• 7.2 板式剪切型铅阻尼器的构造
• 7.3 板式剪切型铅阻尼器的有限元分析
• 7.3.1 分析假定
• 7.3.2 有限元分析结果
• 7.3.3 板式剪切型铅阻尼器的滞回模型
• 7.3.4 板式剪切型铅阻尼器的参数研究
• 7.4 板式剪切型铅阻尼器的性能试验
• 7.5 筒式剪切型铅阻尼器的构造
• 7.6 筒式剪切型铅阻尼器有限元分析
• 7.7 筒式剪切型铅阻尼器的试验结果
• 7.8 本章小结
• 第8章 剪切型铅阻尼器在工程中应用
• 8.1 前言
• 8.2 奥林匹克公园国家会议中心抗震设计
• 8.2.1 工程概况
• 8.2.2 对结构振型位移的分析
• 8.2.3 对结构地震响应的影响
• 8.3 奥林匹克公园国家会议中心阻尼减震设计
• 8.3.1 附加阻尼比
• 8.3.2 安装阻尼器后反应谱分析结果的变化
• 8.3.3 小震作用下的非线性时程分析
• 8.4 某火电厂主厂房抗震设计
• 8.4.1 工程概况
• 8.4.2 模态分析
• 8.4.3 PKPM 的内力调整
• 8.4.4 关于单向剪力墙情况下0.2Q0调整的讨论
• 8.4.5 关于单向设置剪力墙的建议
• 8.5 某火电厂主厂房阻尼器减震设计
• 8.5.1 小震下的非线性时程分析
• 8.5.2 大震验算
• 8.6 本章小结
• 第9章 分布式阻尼减振控制
• 9.1 前言
• 9.2 阻尼钢板对单个杆件的影响
• 9.2.1 构造及计算模型
• 9.2.2 平动自由度的滞回曲线
• 9.2.3 转动自由度的滞回曲线
• 9.3 分布阻尼减震效果的数值模拟
• 9.4 本章小结
• 第10章 结论与展望
• 10.5 结论
• 10.6 展望
• 参考文献
• 附录一
• 附录二
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢