基于时频分析与能量法则的长周期结构动力反应特征及破坏机制研究

本项目采用小波变换、HHT等时频分析技术反映地震动非平稳特性，围绕瞬时能量来计算和评价长周期结构首次穿越的破坏机制。主要工作内容包括：1.研究瞬态反应对长周期结构总响应的控制作用2.探讨结构特性和地震类型对长周期结构时滞现象的影响3、分析单位时间内地震输入能在结构内的转化和耗散，确定结构破坏的时间瓶颈，考察空间关键部位能量需求是否突破4.编写破坏全过程仿真程序，明确长周期建筑首次穿越的破坏机制。通过该项目的研究，可弥补现有规范所采用的反应谱理论和基于承载力或位移的单一参数破坏准则不能反应地震动非平稳特性的缺陷；可从相对周期比的角度给予"长周期结构"更加科学、合理的界定；可揭示长周期结构在地震作用下瞬态反应与稳态反应的组成规律以及最大反应的时滞规律；可明确地震动能量在结构内部的能量转化过程，阐明长周期结构中存在的首次穿越破坏机制。研究成果可为抗震理论的完善和规范的修订提供参考。

本课题将HHT、小波变换等时频分析技术应用于地震信号处理，从结构瞬态反应、瞬时能量等角度研究长周期结构震动规律和破坏机制，为长周期结构的抗震分析与设计提供理论依据。本课题主要完成了五个方面的工作：.1、研究了瞬态反应对长周期结构总响应的控制作用。包括（1）以简谐震动为理论基础，用小波包分析技术提出结构在非平稳信号下的瞬态反应计算方法。该法不仅可以有效划分震动全解中的瞬态值与稳态值，并且具有较高的精度（2）确定了瞬态反应对长周期结构总响应的控制作用。研究表明长周期结构的最大反应不仅可能发生在共振时，还可能发生在瞬态振动阶段，并且随着振型阶次提高，长周期结构的振动逐渐由瞬态解控制过度到稳态解控制；随着建筑物高度的增加，位移全解逐渐由底层受稳态解控制转变为高层受瞬态解控制；（3）提出划分长周期结构的标准：以共振点为界，结构自振周期与信号卓越周期之比小于1时为短周期结构，大于1时为长周期结构。这项成果对于研究近场地震动的潜在破坏以及基础隔震结构的振动规律有重要的意义。.2、探讨了长周期结构时滞规律。包括（1）HHT理论研究和端点飞翼、IMF正交化等算法改进，使经验模态分解更加合理有效；（2）确定时滞现象出现的前提：当结构自振周期>0.5s时将发生明显的位移滞后，周期越大，滞后越明显（3）探讨时滞现象的影响因素：峰值滞后时间主要取决于结构动力特性，与地震波的类型关系较小。位移峰值滞后现象为强震中有倒塌危险的高层建筑赢得了宝贵的紧急处置和疏散分流时间，可充分利用这一成果为防灾减灾服务。.3、分析了地震输入能在不同周期结构内的能量转化和耗散规律。包括计算强地面运动中输入的瞬时能量；研究输入能在长、短周期结构中动能与势能的转化关系、阻尼能的消耗。.4、研究长周期结构首次穿越破坏机制。包括（1）探索结构进入非线性的两个重要标志以及长、短周期结构的表现差异：线性体系加速度响应的能量集中在自振频率附近的窄带内，而非线性体系则出现Hilbert能谱频带展宽，且对于短周期结构和中等周期结构带展宽较明显；在展宽的频带内，结构响应优势频率向低频漂移，且短周期结构漂移明显，长周期结构漂移幅度较小（2）采用等价线性化方法推导了弱非线性体系首次穿越时间的概率分布函数。.5、对长周期高层结构的设计提出新方案：改进型钢砼柱与转换梁的节点构造；改进框支主梁支座节点构造；提出增设粘滞阻尼器的混合隔震方案。