隔減震結(jié)構(gòu)隨機(jī)地震響應(yīng)及可靠度分析方法研究.pdf

1、隨著結(jié)構(gòu)振動控制理論的不斷發(fā)展,隔震減振技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一種日漸成熟的工程減振技術(shù)。目前,對于隔減震結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)研究較多采用確定性分析方法。然而,由于地震動是一個隨機(jī)過程,從而導(dǎo)致地震作用下隔減震結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)也必然為隨機(jī)過程,采用確定性的地震激勵不具有代表性,采用隨機(jī)振動理論對減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行不確定性分析是合理、必要的。此外,隨著結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)在工程中逐步推廣和應(yīng)用以及人們對居住安全意識和需求的不斷提高,考慮隔減震控制結(jié)構(gòu)和控制裝置在

2、地震中的動力可靠度成為一個熱點(diǎn)問題。本文圍繞隔減震控制結(jié)構(gòu)隨機(jī)地震反應(yīng)和抗震可靠度的問題展開研究,主要做了如下幾個方面的工作:
　　 (1)在對三種平穩(wěn)地震地面運(yùn)動模型的濾波性能進(jìn)行分析和比較的基礎(chǔ)上,結(jié)合隔震結(jié)構(gòu)的長周期低頻率的特點(diǎn),提出選用胡聿賢平穩(wěn)地震地面運(yùn)動模型作為隔震結(jié)構(gòu)隨機(jī)地震動輸入。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)解釋了胡聿賢譜及其過濾方程在物理上的意義,研究了低頻截止頻率的作用,給出了胡聿賢模型的相關(guān)函數(shù)表達(dá)式,為隔震體系之類的長周

3、期或含有接近零頻剛體模態(tài)的結(jié)構(gòu)隨機(jī)地震反應(yīng)時域分析提供了方便。
　　 (2)建立了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在“小震”和“大震”下隨機(jī)地震反應(yīng)的分析模型和分析方法,對多自由度體系基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的隨機(jī)地震響應(yīng)問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在“小震”條件下,采用非比例阻尼線彈性隔震結(jié)構(gòu)模型,將動力方程在狀態(tài)空間中表示為對稱系統(tǒng)非經(jīng)典阻尼形式。通過復(fù)模態(tài)時域法對狀態(tài)方程進(jìn)行解耦,給出了多自由度基礎(chǔ)隔震體系在胡聿賢隨機(jī)地震激勵下反應(yīng)相關(guān)函數(shù)矩陣的解析表達(dá)式。在“

4、大震”條件下,采用Bouc-Wen模型描述隔震結(jié)構(gòu)層間滯變位移,將滯變體系動力特性矩陣隨機(jī)等效線性化并建立等價線性狀態(tài)方程。由于“大震”下隔震結(jié)構(gòu)為非對稱系統(tǒng)非經(jīng)典阻尼情況,引入左右特征向量,根據(jù)狀態(tài)矩陣關(guān)于左右特征向量系的正交性,對系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣進(jìn)行對角化,從而實現(xiàn)振動微分方程的降階與解耦,推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)隨機(jī)反應(yīng)的統(tǒng)計矩解析解。隔震結(jié)構(gòu)各子系統(tǒng)在胡聿賢地震動模型下各反應(yīng)量的均方差函數(shù)可以按照本文推導(dǎo)出來的公式直接計算出來,用來計算結(jié)構(gòu)的動

5、力可靠度。同時,還可以求出反應(yīng)峰值的統(tǒng)計特性。為了說明本研究方法的可行性,以_棟鋼筋混凝土多層基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)為例,分別計算“小震”和“大震”下隔震體系的隨機(jī)地震反應(yīng),并和非隔震結(jié)構(gòu)的相應(yīng)計算指標(biāo)進(jìn)行了比較,從隨機(jī)振動角度揭示了隔震體系的減震特性和減震優(yōu)勢,分析了一些主要設(shè)計參數(shù)對隔震結(jié)構(gòu)隨機(jī)響應(yīng)的影響規(guī)律。
　　 (3)建立了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動力可靠度分析的簡化計算方法。采用變形失效準(zhǔn)則,定義了上部結(jié)構(gòu)和隔震層各自分別在“小震不壞

6、”和“大震不倒”條件下的功能狀態(tài)極限函數(shù),根據(jù)首次超越機(jī)制和Possion分布假設(shè),獲得了隔震結(jié)構(gòu)各子系統(tǒng)在給定地震動下的條件失效概率?；诖?lián)可靠度邏輯模型,假定“小震”下上部結(jié)構(gòu)各層間的失效互不關(guān)聯(lián),“大震”下上部結(jié)構(gòu)各層間的失效相關(guān),關(guān)聯(lián)程度取決于該地區(qū)的地震設(shè)防烈度,建立了隔震結(jié)構(gòu)在給定地震動下系統(tǒng)條件動力可靠度的計算方法。進(jìn)一步根據(jù)工程所在場地的地震烈度概率分布,給出了基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的抗震可靠度。該方法可以從整體上對隔

7、震體系的抗震可靠度做出相對較為全面的評估,既適用于線性體系又適用于非線性體系,既適用于平穩(wěn)反應(yīng)又適用于非平穩(wěn)反應(yīng)。在隨機(jī)反應(yīng)分析的基礎(chǔ)上對算例中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠度計算,分析了隔震參數(shù)對隔震結(jié)構(gòu)失效概率的影響規(guī)律,計算分析表明,隔震層剛度和阻尼比對隔震結(jié)構(gòu)的可靠度有著重要的影響,通過合理設(shè)置隔震層參數(shù),可以有效降低結(jié)構(gòu)的抗震失效概率,為基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)基于可靠度的參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。
　　 (4)結(jié)合粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)的動力特性建立了此類

8、耗能減震結(jié)構(gòu)動力可靠度分析的實用簡化計算方法。對非線性耗能減震結(jié)構(gòu)等效線性化處理后,再采用復(fù)模態(tài)分解方法計算,是較為簡單可行的分析方法。通過等價線性化方法,推導(dǎo)了層間三線型恢復(fù)力模型的等效平均剛度,粘滯阻尼器采用等效線性化的力學(xué)模型,建立了安裝粘滯阻尼消能支撐結(jié)構(gòu)的等效線性隨機(jī)分析模型。采用隨機(jī)狀態(tài)空間方法進(jìn)行粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析,無需忽略各振型運(yùn)動耦合便可直接對結(jié)構(gòu)的振動方程進(jìn)行解耦,可以非常簡便的計算出減震結(jié)構(gòu)和減震裝置在

9、平穩(wěn)金井清隨機(jī)地震動模型下的方差反應(yīng)等統(tǒng)計量,并且可以推廣到其它形式隨機(jī)地震動模型激勵的情況。基于層間變形失效準(zhǔn)則分析了粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)的可靠度,并以粘滯流體阻尼器的變形超過其自身極限變形作為阻尼器的失效模式,討論了粘滯阻尼器可靠度的計算。通過一個設(shè)置粘滯流體阻尼器的框架結(jié)構(gòu)計算實例,說明了這種方法的運(yùn)用,討論了阻尼系數(shù)和消能支撐變形系數(shù)對結(jié)構(gòu)和阻尼器失效概率的影響。該方法可以作為一種實用的方法對振動控制結(jié)構(gòu)在不同破壞狀態(tài)下的抗震可靠度