地震作用下单层网壳结构随机动力稳定性分析方法与稳定性控制研究

This project will provide quantitative basis for limit state description, seismic performance analysis, evaluation and control of single-layer dome structures under seismic loadings. First, the physical mechanism of dynamic instability of single-layer dome structures subjected to ground motions is studied from the perspective of energy responses. On this basis, a criterion for identifying dynamic stability of single-layer dome structures is put forward and the corresponding limit state function is established accordingly. Then, under the framework of physical stochastic system, the physical mechanism of dynamic instability of single-layer dome structures or the limit state function is introduced into the probability density evolution method (PDEM), where the quantitative method for stochastic dynamic stability analysis of single-layer dome structures is emphatically investigated. After that, the stability control strategies of single-layer dome structures are developed based on the probability of stability. When different schemes of viscoelastic dampers’ location are considered, the stability control efficacy is compared and discussed. Further, the scheme of dampers’ location is modified according to the probability of stability. This research will provide the dynamic failure mechanism and establish the failure criterion for single-layer dome structures under the catastrophe loadings, i.e. the ground motions. In addition, the probabilistic method of seismic performance analysis and control of single-layer dome structures will be also established in this project, which provides the theoretical basis and technical support for the elaborate performance analysis and control of single-layer dome structures under seismic loadings.

本项目为地震作用下单层网壳结构极限状态描述及单层网壳结构抗震性能分析、评价与控制提供定量依据。项目将从能量响应角度研究地震作用下单层网壳结构动力失稳的物理机制。据此，提出一类单层网壳结构动力稳定性的判别准则并建立相应的极限状态函数。在物理随机系统的思想框架下，将单层网壳结构动力失稳的物理机制(极限状态函数)引入至随机动力系统中，依据概率密度演化方法，着重研究单层网壳结构随机动力稳定性的定量分析方法。在此基础上，发展基于动力稳定概率的单层网壳结构稳定性控制策略，讨论粘弹性阻尼器不同布置位置方案时的控制效果，并据此进一步调整阻尼器布置位置方案。以上研究将提供单层网壳结构动力灾变失效机理和建立单层网壳结构动力灾变失效准则，建立基于概率的单层网壳结构抗震性能分析与控制的系统方法，为实现地震作用下单层网壳结构系统性态的精细化分析与控制提供理论基础与技术支持。

单层网壳结构在地震作用下的动力稳定性问题相对比较突出，且地震激励本身具备显著的很强的随机性，使得单层网壳结构的性态更难把握。本项目首先从结构-地震激励系统能量变化的角度研究单层网壳结构在地震作用下发生动力失稳的物理机制，通过考察地震作用下单层网壳结构的特征能量和输入总能量，得出表征单层网壳结构动力稳定性的能量函数表达式，建立基于能量的单层网壳结构动力稳定性判定新准则并加以验证，进一步利用该准则考察不同参数设置对单层网壳结构动力稳定性能的影响。另一方面，本项目采用谱表示-随机函数模型进行随机地震动建模，结合概率密度演化方法，对单层网壳结构进行随机地震响应及抗震可靠度分析；对不同场地类别、矢跨比、屋面荷载及考虑初始缺陷下的单层网壳结构进行了参数分析; 以响应特征—损伤因子为指标，建立了基于抗震可靠度的单层网壳结构地震易损性分析方法，为基于性能的多级水准抗震设计提供了理论支撑。进一步地，在利用随机事件描述概率守恒原理基础上推导了概率耗散系统的概率密度演化过程控制偏微分方程—概率耗散系统的概率密度演化方程。为获得单层网壳结构随机动力稳定状态的概率评价指标，将单层网壳结构发生动力失稳作为概率耗散驱动物理机制（即认为结构动力失稳将引起概率耗散、概率耗散所剩余的概率信息为结构保持动力稳定的概率信息），建立了理性地计算单层网壳结构随机动力稳定可靠性的基本方法。最后，基于多自由度体系的能量平衡原理，从单层网壳结构体系地震输入能的传输路径着手，提出一种新型的粘弹性阻尼器的布置方法，分别从确定性和随机性角度加以验证，结果表明:建议的粘弹性阻尼器布置方法具有更好的减震效果，能够显著提高单层网壳结构在随机地震作用下的抗震性能和动力稳定性。