大跨度空间结构地震反应分析方法研究

Based on the random vibration theory, the modal analysis response spectral method, the nonlinear finite element method and the numerical computation technique, the characteristics of effect of vibration mode types and their distribution on the participation factors and their accumulation will be explored. A classification method of vibration modes and the contribution cumputation techniques and the evaluation criterion of contribution of different types of vibration modes to dynamic responses of a structure will be proposed. According to distinguishing features of vibration modes and regular distribution patterns of corresponding frequencies, composition of the danymic model of the spatial structure is investuigated and the simplification method of the danymic model is proposed. Based on the simplified danymic model, the push-down method, an elastic-plastic static analysis method, is improved. Based on the correlation between model responses of the structure and input excitations, the evaluation criterion of model response contribution and the purpose of different participation factors, a selection method and an evaluation criterion of dominant vibration modes in dynamic analysis of long span structure will be proposed. For different participation factors, the suitable accumulation techniques of vibration modes will be put forward and a new updated mode superposition method will be proposed. Based on current commercial analysis softwares, a numerical computation program module for seismic analysis of long span spatial structures will be developed.

本课题基于随机振动理论、振型分解反应谱法、非线性有限元法及数值计算技术,针对大跨度空间结构的动力特性,研究其振型特征及其分布以及对不同参与系数及其累积效率的影响规律,提出大跨度空间结构振型分类方法及评定不同类型振型对其动力响应贡献的计算方法及界定准则;根据大跨度空间结构振型特征及频率分布规律,研究其动力计算模型的构成特点,提出大跨度空间结构动力计算模型简化的原则与方法;根据简化动力计算模型,改进适用于大跨度空间结构的静力弹塑性分析方法即Push-down法;根据大跨度空间结构振型响应和输入激励的相关性、振型响应贡献界定准则以及不同参与系数的意义及作用,提出大跨度空间结构地震反应分析遴选主振型的方法与准则;针对不同参与系数,提出相应的振型累积迭加改进算法以及适用于大跨度空间结构地震反应分析的修正的振型迭加算法。基于现有软件平台进行二次开发,编制相应大跨度空间结构地震反应分析数值计算模块。

本课题针对大跨度空间结构动力特性的特殊性，研究适用于此类结构的动力响应计算方法，旨在提出高效适用的大跨度空间结构线弹性、非线性地震反应分析方法，并以此为基础，发展完善此类结构的抗震设计方法和抗震性能评估方法。.对于大跨度空间结构地震反应线弹性分析方法，本课题基于对结构主振型分布特性的研究，建立了基于振型遴选与振型构造的网格结构修正振型叠加法和考虑结构主振型遴选与地震作用相关性的中心频率移位Ritz向量叠加法，上述分析方法的计算效率和精度均优于传统振型叠加方法。进一步地，基于质量参与系数和振型截断原理，建立了适用于“大跨度屋盖结构+下部结构”动力分析的整体计算模型简化方法。.对于大跨度空间结构地震反应非线性分析方法，本课题基于结构“整体刚度指标”，建立了适用于空间结构的拓展模态推覆分析(EMPA)方法。以此为基础，采用平滑化模型模拟空间结构等效单自由度体系等效荷载-位移关系，推导建立了空间结构地震反应分析的弹塑性等效线性化法。随后，通过分析研究大跨度钢屋(楼)盖结构在竖向地震作用下的“单侧非线性”滞回反应特征，建立了此类结构竖向地震反应分析的非线性反应谱法。对于柔性(张力型)空间结构，本课题研究提出了随机等效线性化方法。.同时，本课题开展了大跨度空间结构的MTMD振动控制研究，从时域和频域两方面对大跨度空间结构地震响应解析表达式进行推导，给出了MTMD最优布置方法，并进一步提出了“基于振型”和“基于结构动力响应”的MTMD设计方法；对MTMD减震设计中的关键参数及设计方法进行研究，提出了控制振型的选择、组合和构造方法。.针对所提出的大跨度空间结构地震反应分析方法，本课题开展一系列电算程序编制、有限元数值计算等工作，完成了大量算例，并进一步开展完成了单层球面网壳结构模拟地震振动台试验，验证了所提分析方法的正确性、有效性、高效性和精确性。