基于Bouc-Wen模型研究非平稳地震作用下结构的随机响应与抗震可靠度

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地震活动具有显著的随机性特质,因而基于随机振动理论,研究结构的地震响应及动力可靠度是更为合理的途径。平稳随机地震动模型虽能模拟地震活动的随机性本质,但是并未考虑实际地震活动所表现的时域和频率含量的非平稳性。采用非平稳地震动模型更接近真实地震地面运动,符合实际情况。由于缺乏频率含量非平稳性的合理定量描述以及数学处理上的困难性和复杂性,地震动的模型化研究一直侧重于强度的非平稳性。另一方面,结构在地震动的反复作用下,很难避免进入弹塑性工作阶段,表现出滞回非线性。因此,本文基于随机振动理论,研究非平稳地震动作用下滞回非线性结构的动力可靠度,内容主要包含:(1)采用常用的白噪声、彩噪声模型和相应的非平稳激励模型,运用累积矩截断法对不同随机激励模型下滞变非线性系统的响应进行求解,同时采用蒙德卡洛数值模拟法验证计算结果的正确性。在此基础上,研究系统参数对系统响应的影响。结果表明:系统阻尼、线性与非线性刚度比值以及Bouc-Wen滞回模型参数对滞变非线性随机振子系统随机响应存在显著影响。系统二阶均方响应随阻尼的增大而减小,随线性与非线性刚度比值的增大而增大。(2)以单层钢筋混凝土框架结构为研究对象,以经典Bouc-Wen模型模拟结构的滞回特性,同时考虑地震作用的非平稳特性,采用三种非平稳化模态函数模拟地震地面运动,运用累积矩截断法求解结构的随机地震响应,得到结构响应的二阶矩函数,并以首次超越可靠度理论分析结构的动力可靠度。同时进一步研究场地条件、结构刚度、激励强度和模态函数等参数对框架结构动力可靠度的影响。结果表明:在非平稳过滤白噪声激励下,场地土特性、结构刚度和激励强度对结构随机地震响应与动力可靠度均存在显著影响;非平稳化模态函数对结构的动力可靠度存在显著影响。当地震动能量含量相同时,模态函数峰值越大,导致结构峰值响应越大,结构动力可靠度越低,结构偏于不安全。
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