桥梁结构非平稳随机抗震分析

基于平稳地震动过程的Kanai-Tajimi功率谱密度函数,建立了一类时-频非平稳地震动过程的演变功率谱模型.结合公路工程抗震规范和非平稳过程模拟的随机函数-谱表示方法,生成了610条桥梁抗震设计所用的地震动概率模型的代表性时程集合,通过代表性时程的均值、标准差及平均反应谱值与目标值的比较验证了本文方法的有效性.在此基础上,结合概率密度演化方法,对范和港跨海斜拉桥随机地震反应与抗震可靠度进行了精细化的分析,为桥梁结构抗震分析提供参考.     

考虑行波效应的刚构桥地震反应与可靠度分析

为了对大型连续刚构桥进行精细化抗震设计与可靠度研究,在平稳地震动随机过程的功率谱密度函数基础上,应用了一类新的非平稳地震动随机过程的演变功率谱模型。结合《建筑抗震设计规范》,确立了演变功率谱模型的参数取值。同时,应用谱表示-随机函数方法模拟非平稳地震动随机过程,生成非平稳地震动随机过程的代表性时程样本。通过比较代表性时程样本的统计值与目标值的误差,验证了广义演变功率谱密度函数模型的优越性和合理性。最后,以重庆石板坡长江大桥为例建立有限元模型,进行了基于行波效应下的地震反应分析,并结合概率密度演化方法,给出了墩顶的抗震可靠度以及地震动反应概率信息。     

空间相关非平稳地震动反应谱拟合

为了给大跨度结构的抗震分析提供空间多点相关地震动加速度时程,在前人研究的基础上,提出根据标准设计反应谱合成非平稳空间相关多点地震波的方法.从规范反应谱出发得到功率谱,然后由地震动的空间相关性得到功率谱矩阵,用三角级数法生成各点地震动.生成的地震波具有地震动的空间相关性,同时还考虑了强度和频率的双重非平稳性, 在保证相关性的前提下对初始波进行修正使其反应谱与规范反应谱逼近.数值算例表明,利用该方法生成的地震动加速度反应谱具有较高的拟合精度,合成的多点时程可用于大坝等延伸结构多点激励的地震动输入.     

非平稳地震动场的随机函数模拟

为了精细化模拟随机地震动场,建议了一类2D-1V随机地震动场模拟的随机函数方法.该方法在2D-1V时空随机场的原始谱表示基础上,通过将原始谱表示中的正交随机变量均定义为基本随机变量的正交函数形式,实现了仅用两个基本随机变量即可精细地模拟随机地震动场的目的.同时,通过引入快速傅里叶变换技术,极大地提高了本文方法的模拟效率.通过一个时频非平稳随机地震动场的算例分析,表明了本文方法在模拟效率上与传统谱表示方法大致相当,但本文方法的模拟精度更高.此外,由于本文方法仅需2个基本随机变量来表达随机地震动场,从而可利用数论方法生成具有完备概率的代表性样本集,这将为应用概率密度演化理论进行复杂结构的随机地震反应和抗震可靠度分析奠定坚实的基础.     

基于建筑规范反应谱的人工地震波合成及其应用

规范规定采用时程分析法时应选用相当数量与统计意义相符的地震加速度时程曲线。鉴于实际工程中与拟建场地同震源的原始地震纪录较少,合成满足一定振动特性的人工地震波参与计算显得十分必要。根据人工地震动合成原理,利用规范反应谱v2.0程序和Simqke_gr程序生成拟合标准反应谱的地震波,并将其应用于某典型超限底框结构实际工程的弹性动力时程分析中。实例分析结果表明:采用程序合成的人工地震波,在概率意义上有一定代表性,能够很好地拟合于规范反应谱,同时使用方便、可靠,可用于工程实际中。     

基于演变谱和正交化HHT法的类谐和长周期地震动合成

结合演变谱理论和正交化HHT法的优点,建立了一种能同时反映强度和频率非平稳特性的地震动人工合成方法.选取1999年台湾集集地震中的2条类谐和长周期地震动记录作为原始地震动进行了人工合成,并进行了局部功率谱密度分析和反应谱分析.分析结果表明,本文建立的地震动合成方法能实现对地震动频率非平稳性的模拟,合成的类谐和长周期地震动时程与原始地震动时程在能量时频分布上具有较好的一致性,且弹性反应谱及弹塑性反应谱的拟合精度较高,可供工程结构地震反应分析使用.     

脉动风向量过程模拟的POD-随机函数方法

在平稳随机向量过程功率谱密度矩阵的本征正交分解(POD)基础上,建议了一类平稳随机向量过程模拟的POD-随机函数方法.通过POD的模态截断技术,将平稳随机向量过程表达为少数几阶能量占优的本征模态叠加,减少了平稳随机向量过程模拟的计算量;利用随机函数的约束,将随机向量过程POD表达式中的正交随机变量定义为两个基本随机变量的正交函数形式,实现了随机向量过程的降维表达.结合Kaimal风速谱及Davenport空间相干函数模型,进行了脉动风随机向量过程的数值模拟分析,并与传统的Monte Carlo方法进行比较.数值算例表明,本文方法不仅所需的随机变量最少,且仅需生成较少的代表性时程即可获得较高的模拟精度.而且,本文方法生成的代表性时程构成一个完备的概率集,进而可结合概率密度演化理论进行结构随机风荷载作用下的动力反应与可靠度分析.     

基于实际记录检验的近断层区结构抗震设计谱研究

由于长周期大幅值脉冲型运动效应、方向性效应等显著特征,近断层地震动和远场地震存在明显差别,近场区的设计地震动需专门研究.文中建立了包含世界范围内23次主要地震事件中338条水平向记录的近场地震动数据库,对中、美相关的代表性抗震规范的设计反应谱进行了场地分组下的实际地震动检验,表明现行各规范与近场需求存在较大差别,难以直接适用于近断层区的结构抗震设计.通过引入考虑近场地震动效应的近断层系数、衰减指数,分别对设计谱平台高度和中、长周期段衰减速率进行修正,并通过对特征周期的取值进行调整,给出了适用于近断层地区结构水平向抗震设计谱的建议.对比检验表明,所建议的设计谱和实际近断层记录分组均值谱吻合较好,并与代表性的跨越断层区典型高速公路桥梁桥址抗震设计谱相一致,可适用于近断层区域工程结构的抗震设计.     

复杂竖向混合结构的交界面楼层反应谱分析

为了了解中国航海博物馆工程这一包括钢结构和混凝土结构的复杂竖向混合结构的地震响应特点,利用ANSYS程序对该工程进行了抗震分析,分析中采用了谱分析法和时程分析法,并求出了该混合结构的交界面楼层反应谱.计算结果表明:结构变形满足规范限值,下部混凝土结构对地震动输入有放大作用,使得钢网架底部加速度输入远大于地震地面运动加速度,建议上部钢结构单独进行抗震设计时,采用多条地震波输入下的楼层反应谱的包络作为设计地震输入谱.     

基于正交小波逆变换的平稳风速时程数值模拟

对于大型结构,风荷载往往起控制甚至决定作用,对其进行风振响应时域分析是必要的,而进行时域分析首先必须解决风荷载的输入问题.基于多分辨率分析的思想和正交小波基推导了小波系数与功率谱密度函数之间的关系,从而可由已知的功率谱密度函数随机生成各尺度上的小波系数,进而由生成的小波系数通过逆变换生成平稳风速时程.根据这一思路,利用L-P小波基,模拟了与Davenport谱相一致的某点脉动风速时程,算例表明,模拟的风速时程功率谱与给定的目标谱吻合较好,证明了该方法的有效性.     

长周期随机地震作用下超大跨斜拉桥的行波效应分析

从各个国家和地区的地震记录库中寻找出一些具有良好记录质量和基本场地资料的强震记录,并从中挑选出较为典型的长周期地震波,对比分析了不同场地条件下长周期地震波和普通地震波的平均加速度反应谱及其规范形式的分段拟合曲线.选取软土场地拟合反应谱作为目标反应谱,用迭代方法求取与目标反应谱相对应的功率谱密度函数,分析了基于长周期地震动加速度功率谱密度的特点.在此基础上,以某超大跨斜拉桥结构为背景,利用ANSYS软件建立三维有限元分析模型,分别以文中拟合的长周期地震动功率谱密度和普通地震动功率谱密度作为输入,采用直接求取位移的改进虚拟激励法,对超大跨斜拉桥结构进行了不同视波速下的行波效应分析.结果表明:长周期地震动功率谱密度的卓越频率明显低于普通地震动功率谱密度的卓越频率.长周期地震动功率谱作用下的桥梁左桥塔顶、右桥塔顶和桥面板跨中节点的位移响应功率谱值均明显大于普通地震动功率谱作用下的结果,桥梁塔顶位移响应功率谱均呈双峰分布.在本文算例中,考虑行波效应使超大跨斜拉桥结构的位移响应和弯矩响应结果有所减小.     

单层球面网壳结构随机地震响应与可靠度分析

为评价单层球面网壳结构抗震性能,需充分考虑地震激励的随机性以及非平稳性.结合概率密度演化方法,可得到单层球面网壳结构动力响应的概率信息及可靠度.首先,采用谱表示-随机函数方法,生成符合不同设防要求的全非平稳地震动,其平均反应谱与规范反应谱拟合效果理想,通过概率密度演化方法考察了单层球面网壳结构最大位移的概率密度演化全过程;进一步地,分别从宏观和微观层次上选取2个失效评价指标,通过引入等效极值分布思想,可获得单层球面网壳结构抗震可靠度分析所关心的动力响应极值分布;最后通过参数分析,评价了不同参数对单层球面网壳结构抗震可靠度的影响.与传统方法相比,本文方法从随机性的角度评价网壳结构的抗震性能更加合理,并且兼顾了效率和精度.     

基于构件合力的曲线梁桥最不利激励方向确定

为弥补以构件响应分量作为判别标准的结构最不利激励方向确定方法在实际工程应用中的不足,提出一种以构件合力(位移)为判别标准的结构地震动最不利激励方向确定方法.基于反应谱理论,推导出该方法的计算公式.以一座典型的曲线梁桥为例,建立了全桥有限元模型,应用该方法确定曲线梁桥的最不利激励方向并与多方向线性时程分析结果进行对比.研究结果表明,基于构件合力的结构地震动最不利激励方向确定方法可以综合反映构件整体的受力性能随地震动激励方向的变化情况,计算量相对较小且具有较高的可靠性;当以构件合力(位移)作为判别标准时,按照现行规范规定的地震动激励方向对曲线梁桥进行抗震性能验算,发现能够满足实际工程抗震设计的需要.     

轻轨铁路站桥整体结构的结构设计与抗震分析

结合地处高烈度地震区的天津轻轨工程,对轻轨铁路车站建筑与高架桥梁进行整体设计与抗震分析． 在结构设计中,首次将轻轨铁路的车站建筑与高架桥梁设计成为一个整体框架结构;在抗震分析中,分别 按照不同的规范反应谱法和时程分析法对站桥整体结构进行全面分析．研究结果表明,轻轨铁路站桥整体 结构的结构设计可避免建筑与桥梁之间的地震碰撞;按照规范反应谱法设计的站桥整体结构的抗震安全性 存在不足,设计中必须按照工程建设场地地震危险性评价所给出的地震动参数对站桥整体结构进行时程分 析,才能确保轻轨铁路的抗震安全性．     

输电塔随机地震反应分析及可靠度计算

地震动具有很强的随机性,合理描述地震动随机过程是结构抗震设计的重要前提.本文运用正交展开方法生成了随机地震动,将样本总体二阶统计特性与规范进行了比较,并结合概率密度演化理论,进行了输电塔在顺线向输入随机地震动时的反应分析和可靠度计算.得出了输电塔在随机地震动激励下的概率密度演化规律,以及在以塔顶位移转角为失效控制模式下的可靠度,并试图尝试将传统输电塔抗震设计中的基于承载力转向基于可靠度,为输电塔结构抗震的精细化设计提供一个新的参考.     

采用时频滤波技术的近断层脉冲地震人工模拟

利用现代时频分析工具S变换的时频滤波特点,把反映场地局部特征的实际远场地震波或人工合成的远场地震波在等效速度脉冲的发生时间段实行时频滤波,再与等效速度脉冲叠加,生成既能反映场地局部特征又能反映近断层脉冲地震特点的人工近断层脉冲地震时程.通过数值算例,得到的人工近断层地震波与原始波有相似的时频特征,而功率谱密度函数在高频段与建筑抗震规范相容的目标功率谱一致,该波的峰值加速度还与抗震规范中相应烈度的峰值一致,可供近断层地区结构抗震分析使用.     

非一致激励下钢管混凝土拱桥平稳随机地震响应分析

对一座三跨钢管混凝土拱桥在多维非一致随机地震激励下的响应进行研究.利用功率谱和规范反应谱之间的转换关系,使用最小二乘法来拟合地震动模型参数,用于对结构进行多维非一致随机激励的输入.在综合考虑部分相干效应、行波效应以及局部场地效应的基础上,使用虚拟激励法,数值仿真该桥在地面运动的空间特性下的地震响应.分析结果表明,部分相干效应与行波效应复合的情况下,地震动空间特性主要体现在行波效应上;视波速引起的功率谱函数相位和峰值的变化直接影响结构地震响应;局部场地效应下,拱肋竖向弯矩随场地的柔软程度增大,剪力则相反.     

考虑随机参数的框架剪力墙结构抗震可靠度分析

基于随机函数的降维思想,分别建立了全非平稳地震动概率模型与随机参数结构模型,实现了随机地震动作用下随机参数结构的抗震可靠度分析.首先,应用谱表示随机函数方法,将全非平稳地震动过程表达为仅含一个基本随机变量的随机函数形式.其次,将随机函数思想引入到具有随机参数的结构中,实现了仅用一个基本随机变量来表达随机参数结构的目的.最后,以层间位移角为评价指标,结合概率密度演化理论,计算随机地震动作用下随机参数结构的抗震可靠度.研究表明,仅需两个基本随机变量即可表达随机动力系统的随机性,从而降低了复杂随机参数结构抗震可靠度分析的难度.     

基于差异谱的完全非平稳地震波与目标谱一致的调整方法

提出了一种使地震波拟合目标反应谱的随机方法,该地震波同时具有完全非平稳特性。首先以实际地震记录为基础,对比其反应谱与目标反应谱得到差异谱,以差异谱为目标利用谱表现方法生成与差异谱吻合的差异地震波,并用对数正态分布的概率密度函数来表征地震动的强度非平稳特性,再叠加实际地震记录和生成的差异地震波得到与目标反应谱一致的完全非平稳地震波。由此得到的地震波频率非平稳特性比较接近实际地震记录,且其反应谱与目标反应谱吻合较好,可将其用于工程结构的抗震分析中。     

人工主余震型地震动作用下框架结构可靠度

本文着眼于地震动在幅值、持时、频谱方面的工程特性，利用主震与余震之间峰值加速度、强震持时、场地卓越频率的关系，构造主余震型地震动过程的演变功率谱模型。随后，运用谱表示-降维方法，实现仅用三个基本随机变量便可在概率层面精细地模拟主余震型地震动过程。进一步地，根据概率密度演化理论和基于首次超越破坏的极值可靠度理论，在概率密度层面上对某办公楼框架结构进行精细化的动力响应分析和可靠度评价。算例表明，降维方法可应用数论选点方法，生成可满足工程精度要求的较少代表性样本集，且集合概率信息完备。进而可与概率密度演化理论结合，获得阈值下丰富的概率信息。这为框架结构的主余震型地震反应和抗震可靠度分析提供了新的途径。