钢框架模型地震响应比较研究

采用质点系模型，利用时程分析法，分别使用以加速度和速度峰值为标准化的地震波，对两种层间侧移刚度分布不同的钢框架模型做了详细深入的分析和对比。结果表明，以地震波速度峰值作为度量评价地震波强度的方法，比以地震波加速度峰值作为度量评价地震波强度的方法更具有说服力；各层损伤情况与层问刚度相对值有很大关系，即刚度均匀的结构损伤主要集中在下部，而刚度相对不均匀的结构损伤与此不同。通过分析验证了“输入能量只与结构总质量和第一周期有关”的秋山宏见解。     

钢框架-防屈曲支撑结构抗震性能的振动台试验研究

为了研究防屈曲支撑结构在地震作用下的抗震性能,采用低屈服点钢材制作内芯板,设计和加工制作了1/4缩尺的钢框架-防屈曲支撑试件,对其进行3种不同地震波作用下的振动台试验,分析了该结构在不同等级地震波作用下的破坏形式、动力特性、加速度响应、层间位移角、应变等力学性能.结果表明:在不同强度地震波作用下,各构件均没有明显的破坏现象.试件的初始基本自振频率为23.12 Hz,初始阻尼比为2.78%.随着加载的峰值加速度增大,自振频率逐渐降低,但阻尼比逐渐增加.试验结束时,试件的刚度退化率为5.4%.结构的加速度放大系数随地震强度的增大而减小,且二层的加速度放大系数大于一层.结构的最大层间位移角在小震和大震下分别为1/3 000和1/314,满足结构抗震设计要求.框架梁和柱各测点的应变随地震峰值加速度的增加逐渐增大,且应变变化趋势在工况5之前呈线性变化,之后呈非线性变化.     

基于ALE方法的平底结构入水冲击动力特性研究

结构冲击入水作为一种典型的流固耦合问题广泛存在于船舶与海洋工程领域,特别是作为海洋平台简化模型的平底结构有着重要的工程应用背景和学术研究价值。本文采用ALE算法对二维弹性平底结构等速冲击入水过程进行数值模拟和分析,分别采用Lagrange单元和Euler单元来表征结构和流体,并通过耦合算法实现对流固耦合过程的模拟,分别讨论不同质量、刚度及入水速度情况下空气垫现象对结构底部压力的影响。计算结果表明,平底结构入水冲击过程中,底部边缘处压力最先达到峰值,随后沿宽度方向向中心依次出现压力峰值,且结构等速冲击入水后的运动为自由振动。冲击压力的峰值随结构质量及刚度的增大而增大,同时冲击压力峰值与速度呈线性关系,随速度的增大而增大,底部斜升角对冲击压力峰值的影响十分显著。通过上述研究为工程应用中的结构强度设计提供重要依据。     

考虑竖向地震作用下摩擦摆基础隔震结构抗震性能分析

基于有限元分析软件SAP2000,结合某多层钢框架结构,建立传统抗震和摩擦摆基础隔震结构的有限元模型。输入地震波,在罕遇地震作用下,进行水平双向和不同竖向比例的三向地震反应对比分析。研究结果表明:摩擦摆基础隔震结构能延长结构自振周期,减小结构层间剪力、层间位移、梁和柱受到的轴力与弯矩,降低了水平及竖向地震的作用。随着竖向地震动增大,结构竖向层间位移增大,顶层竖向加速度增大,摩擦摆支座的竖向压缩位移和瞬时脱空位移增大,其中瞬时脱空现象均发生在角支座处,但远小于支座的啮合深度,不会影响结构的安全。     

平面钢框架结构简化为双翼鱼刺型振动模型的研究

对于平面钢框架结构,应用非线性静力分析法,借助于增值系数λ,提出了新的结构振动模型--双翼鱼刺型振动模型.然后选取5个结构算例,利用4种方法确定结构刚度矩阵后,采用3组地震波加速度时程离散值进行了地震响应弹性时程分析,验证了其合理性.该模型由于考虑到梁刚度对结构整体刚度的影响,比质点系剪切型振动模型具有很多优越性,不仅在弹塑性范围内能够得到精度较高的结果,而且具有输入数据简单、计算简便的特点,可为结构抗震工程计算和设计提供简便而有效的一种解析手段.     

结构振动模型和刚度矩阵对地震响应影响研究

对平面钢框架算例模型分别采用质点系、双翼鱼刺型和杆系振动模型输入天然和人工地震波进行地震响应时程分析.在分析中,与质点系振动模型相关的结构侧移刚度矩阵由反弯点法、D值法、非线性静力分析法以及柔度法确定;与双翼鱼刺型振动模型相关的结构侧移刚度矩阵由双鱼刺法确定;与杆系振动模型相关的结构侧移刚度矩阵由矩阵位移法确定.通过算例讨论了采用上述不同方法确定的结构侧移刚度对结构地震响应影响.     

带限位器的冲击隔离器刚度计算模型

用数值方法模拟带限位功能的冲击隔离器一般采用双线性模型,即在限位器发挥作用前计算模型中的刚度为隔离器的冲击刚度,然而,众多研究表明,隔离器的静刚度、动刚度以及冲击刚度3者在数值上存在较大的差异。为探究2种计算方法在计算结果上的差异性,提高隔离器计算的准确性,对带限位器隔振装置的计算方法进行改进,将传统的双线性计算方法加以优化,采用多线性计算方法。建立结构模型,将隔离器以及限位器的接触部分简化为弹簧和阻尼器;选择合适的隔离器,加载与之相适应的冲击环境;对加速度和速度响应分别进行对比分析。得出结论:多线性计算方法与双线性计算方法计算结果有一定差异,多线性计算方法所计算的加速响应峰值较多线性方法有所降低,且振荡次数减少。多线性计算方法所计算的位移响应峰值略小于双线性计算方法的计算值,多线性计算方法使得响应脉宽出现先窄后宽的现象。     

抗冲瓦结构在脉冲载荷下的动态响应分析与优化

为提高抗冲瓦结构的抗冲击性能,基于有限元分析软件Abaqus研究了抗冲瓦结构在不同峰值脉冲载荷下的响应,重点分析了抗冲瓦结构的变形模式、加速度峰值响应与其芯层结构尺寸间的关系,应用多学科优化软件Modelcenter对其结构尺寸进行优化.结果表明:受到冲击后,抗冲瓦结构在冲击端和固定端会出现局部压缩大变形,其变形模式与脉冲载荷峰值有很大关系,芯层胞元的几何尺寸与抗冲瓦结构的抗冲击性能有很大关系,应用遗传算法可以较好地实现结构在动态载荷下的优化.     

舰船舱内空爆数值仿真方法研究

利用 Ansys/LS-DYNA 动力分析软件模拟大型水面舰船在舱室内部爆炸情况下船体结构的加速度响应情况。炸药及空气采用欧拉网格,船体结构采用拉格朗日网格,计算采用多物质ALE算法。数值模拟中对爆炸环境进行简化,以附连水质量代替水线面下方水介质对船体结构的影响。将不同尺寸网格计算出的冲击波载荷曲线与经典经验公式对比,得到数值仿真的合理网格尺寸。采用简化模型讨论2种边界约束条件对各层平台加速度峰值响应的影响,得到较为合适的约束条件。计算得到沿船长方向船体结构加速度分布并与实验结果相比较,数值仿真计算得到的加速度峰值与实验数据较为吻合,表明仿真中对于空爆载荷及约束条件等冲击环境的模拟合理。     

舰船舱内空爆数值仿真方法研究

利用Ansys/LS-DYNA动力分析软件模拟大型水面舰船在舱室内部爆炸情况下船体结构的加速度响应情况。炸药及空气采用欧拉网格,船体结构采用拉格朗日网格,计算采用多物质ALE算法。数值模拟中对爆炸环境进行简化,以附连水质量代替水线面下方水介质对船体结构的影响。将不同尺寸网格计算出的冲击波载荷曲线与经典经验公式对比,得到数值仿真的合理网格尺寸。采用简化模型讨论2种边界约束条件对各层平台加速度峰值响应的影响,得到较为合适的约束条件。计算得到沿船长方向船体结构加速度分布并与实验结果相比较,数值仿真计算得到的加速度峰值与实验数据较为吻合,表明仿真中对于空爆载荷及约束条件等冲击环境的模拟合理。     

中印(尼)规范的强震区高桩码头地震反应谱差异

针对中国与印尼抗震设计规范的差异,将设计地震、场地类别、设计加速度反应谱等参数进行对比。结果表明,强震区印尼规范加速度反应谱曲线水平段比中国规范的长,加速度反应谱曲线峰值比中国规范最大抗震设防烈度对应的峰值大。基于某高桩码头工程,利用ANSYS软件,采用振型分解反应谱法,分析同一场地土采用不同规范的地震效应的差异,为类似的抗震设计提供参考。     

Joint earthquake and wave action on the monopile wind turbine foundation: An experimental study

Offshore wind turbines in regions of active seismicity are under a potential threat caused by the joint earthquake and ocean wave action. Taking NREL-5MW monopile wind turbine as the prototype, this study is devoted to probe the joint action of strong earthquakes and moderate sea conditions. A series of shake table model tests of scale 30:1 have been carried out by the contemporary world unique facility (Earthquake, Wave and Current Joint Simulation System) to investigate the structural response in dry flume, low and high calm water levels, with and without regular or random waves. Particular interest has been in the nacelle acceleration subjected to strong ground motions as well as to random waves. The experimental results of nacelle peak accelerations and corresponding dynamic amplification factors show that the joint earthquake and wave action is important for the proper evaluation of structural response. Ignoring the effect of wave action in seismic analysis will lead to underestimation of structural response, especially when the monopile foundation is dynamically sensitive. The coupling of earthquake and wave actions is sourced not only from the relative velocity of vibration but also from the initial condition induced by waves. It has been also derived that the peak acceleration excited by a moderate sea condition is comparable to that by a moderate earthquake.     

地震作用下的液化砂土地基PHC管桩动态响应

为研究液化砂土地基上的PHC管桩在地震作用下的动态响应,利用FLAC3D有限差分软件建立土体、实体PHC管桩和桩顶等效质体组成的数值模型,同时考虑水体、土体和PHC管桩之间的耦合作用。通过在模型底部施加地震荷载进行完全非线性动力分析,研究土体的液化情况、场地的变形以及PHC管桩的响应。结果表明,地震作用引起了饱和砂土有效应力减小,全高度的砂土均发生了液化;液化的发生与否以及发生时间不仅与土体的埋深有关,也与地震荷载的序列和地震荷载的峰值加速度相关;埋入土中的桩身正应力呈先增大再减小的趋势,最大值出现在护坡和砂土交界处;埋深较浅处桩的侧向位移大于埋深较深处;由于PHC管桩在强震作用下的位移和内力值均较大,应在码头建造之前对极易液化的场地进行改善。     

Temporal and spectral characteristics of seismic ground motions: Offshore versus onshore

To distinguish offshore and onshore seismic ground motions, conventional analyses in terms of peak ground acceleration (PGA) and earthquake response spectrum (ERS) have been carried out in a recent work by authors and other papers in literature. In the present study, distinct temporal and spectral characteristics between onshore and offshore earthquake ground motions are further investigated in time-domain and frequency-domain. The data used is 69 pairs of concurrent onshore and offshore ground motions collected from the Kyoshin Network (K-NET). Each pair of data are of approximately identical epicenter distances. Comparisons are made on zero-up-crossing period (T_z), peak-to-trough acceleration range (A_pt) and period (T_pt), duration of ground motion (T_d), predominant frequency (f_p) and the spectral bandwidth parameter (ε). The results indicate that for offshore horizontal and vertical seismic signals, statistics of T_z, T_pt, T_d and predominant period T_p tend to be larger than the onshore counterparts. Meanwhile, ε of the offshore vertical ground motions is also greater. Through the proposed energy ratio (ER) analysis, the spectral energy of offshore ground motion is found to shift to moderate and low frequency bands. The time-frequency analysis conducted by Hilbert-Huang transform (HHT) shows that the Hilbert spectra of offshore accelerations contain larger spectral energy than the onshore counterpart but the corresponding instantaneous frequencies at peak energy are smaller, especially for horizontal recordings. Therefore, larger dynamic response of offshore structures is prone to be induced by the offshore ground excitation. This is further validated through the dynamic analysis of a marine pipeline in case study.     

空中爆炸下舰船桅杆结构动态响应的数值模拟

对某舰的桅杆结构及相关甲板,用Lagrange单元进行模拟,桅杆周围的空气用Euler单元进行模拟,Lagrange单元和Euler单元耦合界面采用一般耦合方法.运用动力有限元软件MSC/DYTRAN进行计算,欧拉方程求解时使用具有二阶精度的Roe求解器,用MSC/PATRAN进行前后处理,模拟了桅杆结构在空中爆炸下的全过程.从计算结果可以得到爆炸冲击波的传播过程,桅杆结构中各点的加速度、速度、位移、应力响应.分析爆炸冲击波的比冲量及靠近桅杆结构的冲击波峰值压力表明本文计算结果是合理的;计算中考虑了流固耦合效应,模拟出了冲击波的反射和绕流,更加接近实际情况.因此文中的研究,对桅杆抗爆设计具有一定的参考价值.     

模糊综合评价在多学科优化设计变量选择中的应用

以灵敏度分析理论为基础,将模糊数学综合评判理论应用于多学科优化设计变量的选择与评价。以某集装箱船为例,在建立了包含静力学、模态分析和动力学的多学科优化时设计变量选择的模糊评判数学模型之后,综合考虑了应力、位移、固有频率、速度和加速度等参数对设计变量的影响。分析表明,该方法简便易行、结果可靠。     

港口结构抗震设计方法的发展（5）

以我国、美国和日本的港口码头设计规范、手册为基础,对我国、美国和日本港口码头抗震设计的方法进行了分析,同时介绍了国际航运协会标准《港口结构抗震设计指南》的有关规定.此系列论文共分6部分,该文为第5部分,分析和比较了我国、美国和日本规范中高桩码头的抗震设计方法.比较表明:对于高桩码头抗震设计,我国规范和美国规范采用反应谱法确定地震力,日本规范则将地震危险性分析得到的结果作为输入的地震波,根据结构的反应确定地震系数.美国规范给出了多种码头变形的计算方法.     

码头成层地基中地震动的非线性反演方法

为了合理地对某码头结构进行抗震分析,采用非线性土层随机地震反应分析方法,结合自由场地地表处测得的地震加速度记录,反演得到了基岩加速度,为结构抗震分析提供了合理的地震动输入.由于土体是一种显著的非线性材料,采用一种简化的方法求解剪切模量和阻尼比,从而确立了土体的动力本构关系,建立了非线性反演方法.最后,结合某高桩码头工程,对该工程地表加速度进行了非线性反演得到基岩地震动.计算结果表明该反演方法是正确的,有着较高的精度.     

三维回转体入水砰击载荷预报

采用数值仿真的方法研究了三维刚性回转体的入水问题,分析了不同回转角度的回转体的砰击压力峰值的变化规律,并研究了以一定初速度入水时,结构质量对砰击压力的影响。计算结果表明,恒速下降时,砰击压力峰值随角度的增加而下降;初速下降时,随着结构质量增加,砰击压力峰值先急剧增加,然后区域平稳。最后提出了不同回转角度、不同质量系数的回转体在初速下降与恒速下降时砰击压力峰值的预报公式。     

带限位器的船舶设备非线性冲击响应分析

船舶上的设备安装限位器后，在冲击过程中碰到限位器时刚度发生突变，必需采用非线性方法进行冲击响应分析。文章首先对限位器的冲击刚度进行模拟计算，随后运用一系列的带间隙的弹簧单元逼近限位器的冲击刚度，实现了虚拟非线性冲击响应。