【博士】近場(chǎng)地震下橋梁結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的能量方法【2007】

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　　學(xué)科專業(yè)：防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：北京交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2007年　　近斷層區(qū)的嚴(yán)重震害給抗震界提出了新的課題，靠近活動(dòng)斷層區(qū)域的地震動(dòng)以其長(zhǎng)持時(shí)速度脈沖的巨大破壞能力而對(duì)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)方法提出了新的考驗(yàn)，迫切需要在搞清近斷層地震動(dòng)主要特性的基礎(chǔ)上改進(jìn)現(xiàn)有的抗震設(shè)計(jì)方法。隨著近年來儀器技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)記錄到相當(dāng)數(shù)量高質(zhì)量的近場(chǎng)強(qiáng)震記錄，使這項(xiàng)研究具備了地震輸入的必要基礎(chǔ)。由于結(jié)構(gòu)對(duì)地震作用的抵御在本質(zhì)上是地震輸入能量的消耗過程，本文以脈沖型近場(chǎng)地震動(dòng)為對(duì)象，發(fā)展了橋梁結(jié)構(gòu)基于能量的性能評(píng)估方法，建立了能夠同時(shí)考慮累積耗能和最大變形需求的基于預(yù)期性能目標(biāo)的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，主要工作如下：　　1．挑選具有速度脈沖的典型近震記錄為輸入，以隔震連續(xù)梁橋?yàn)閷?duì)象提取了決定速度脈沖破壞能力的控制參數(shù)厶，建議了一種采用三角函數(shù)疊加高頻分量的速度脈沖模擬模型，并利用所收集到的世界范圍內(nèi)的近斷層強(qiáng)震記錄對(duì)脈沖控制參數(shù)進(jìn)行了回歸分析。引入累積能量和瞬時(shí)能量概念，能量譜分析表明在近斷層地震動(dòng)諸參數(shù)中，脈沖周期和脈沖強(qiáng)度是影響結(jié)構(gòu)峰值響應(yīng)的決定性因素，累積輸入能量受高頻地震分量影響明顯，而瞬時(shí)輸入能量則主要取決于速度脈沖。等效單墩的算例分析表明，瞬時(shí)輸入能量是表征地震破壞能力的有效指標(biāo)，從累積耗能比和瞬時(shí)耗能比的分布特征可得出，LRB雙線性隔震支座耗能效率在0．3～O．6的范圍內(nèi)，表明近場(chǎng)脈沖下被動(dòng)隔震裝置的耗能能力有待提高，需要發(fā)展合理可靠的減震、耗能方式。　　2．在總結(jié)既有的輸入能量簡(jiǎn)化計(jì)算方法不足之處的基礎(chǔ)上，建議了一種基于譜速度的改進(jìn)模型，用近場(chǎng)記錄驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性．基于地震動(dòng)記錄分組，進(jìn)行了輸入能量均值譜、840／0包絡(luò)曲線的分布特征分析，采用半經(jīng)驗(yàn)、半統(tǒng)計(jì)方法建議了適用于O～15km斷層范圍內(nèi)的輸入能量設(shè)計(jì)譜(EⅢs)，并用實(shí)際記錄進(jìn)行了驗(yàn)證。與日本建筑抗震規(guī)范(1985、2001)及Akiyama、121iment等模型的對(duì)比表明，本文建議的設(shè)計(jì)能量譜能較好的反映近斷層區(qū)潛在的能量需求，而其他規(guī)范則存在取值偏低等明顯不足。從所建議的輸入能量簡(jiǎn)化計(jì)算模型出發(fā)，推導(dǎo)了與當(dāng)前中、美主要抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011．200l、UBc97)加速度譜相容的輸入能量等效速度譜，和本文所建議設(shè)計(jì)譜對(duì)比表明我國(guó)GB5001 1-2001規(guī)范除在Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地下的9度罕遇烈度設(shè)防地震下能一定程度上體現(xiàn)近場(chǎng)地震的能量放大效應(yīng)外，在其他設(shè)計(jì)加速度和場(chǎng)地條件下均明顯低于斷層距在O～15km范圍內(nèi)的能量輸入需求，近場(chǎng)地震中速度脈沖效應(yīng)(F1ing or Pulse Effect)對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的影響在GB5001 1-2001規(guī)范的反應(yīng)譜曲線中未能反映出來．其譜參數(shù)需要進(jìn)行調(diào)整；而與美國(guó)UBC97規(guī)范相容的能量譜對(duì)比表明除了在基巖場(chǎng)地(sA)上UBC97規(guī)范參數(shù)取值偏低外，在其他場(chǎng)地條件和斷層距范圍內(nèi)均和本文所建議的0～15km斷層距的輸入能量譜較好地吻合，表明該規(guī)范采用近場(chǎng)因子N^、Nv考慮近場(chǎng)效應(yīng)是必要的，也從另一角度印證了本文建議譜的合理性?！　?．在對(duì)記錄分組進(jìn)行大量工況分析的基礎(chǔ)上得出影響輸入能量分配的決定性因素為結(jié)構(gòu)阻尼和變形延性，提出了引入長(zhǎng)周期下降段的全面考慮結(jié)構(gòu)阻尼和延性需求的滯回耗能與輸入能量比，對(duì)比表明本文模型取值更符合近場(chǎng)地震動(dòng)的能量分配特征。采用考慮剛度退化的滯回模型，討論了地震動(dòng)輸入能量和SDOF體系非彈性最大變形之間關(guān)系，采用分段線性化方法建議了考慮場(chǎng)地分類的函數(shù)表達(dá)式，并用多自由度實(shí)體橋墩為算例進(jìn)行了驗(yàn)證。在給出多自由度結(jié)構(gòu)的地震輸入總能量和滯回耗能需求、結(jié)構(gòu)耗能能力以及總能量分配計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，提出了基于能量的橋梁結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估方法，并以3座加拿大的實(shí)際橋墩為對(duì)象進(jìn)行了驗(yàn)證?！　?．采用改進(jìn)的Park-Ang雙參數(shù)損傷評(píng)估模型，對(duì)三類不同場(chǎng)地下基于等延性的強(qiáng)度折減因子設(shè)計(jì)的剛度退化單自由度體系的地震損傷分析表明，考慮單一變形延性的設(shè)計(jì)方法不能有效考慮地震動(dòng)累積損傷效應(yīng)，由于剛度退化導(dǎo)致的累積損傷會(huì)使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法偏于不安全。定義了基于確定性能目標(biāo)的強(qiáng)度折減因子，自編程序計(jì)算了三類場(chǎng)地下剛度退化體系等性能目標(biāo)強(qiáng)度折減因子的分布特征，構(gòu)造了5％阻尼條件下的回歸模型。以此為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了與UBC97抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相容的等性能目標(biāo)非彈性位移譜，發(fā)展了基于性能的橋梁墩柱抗震設(shè)計(jì)方法，并用算例驗(yàn)證了本文方法的可行性。最后，討論了長(zhǎng)細(xì)比取值較大的高柔橋墩和不等高M(jìn)DOF全橋結(jié)構(gòu)的多階模態(tài)效應(yīng)，引入多自由度振型分解反應(yīng)譜理論提出了全橋結(jié)構(gòu)基于性能的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。　　

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