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【博士】橋梁抗震的線性非線性分析方法研究【2003】
內(nèi)容簡介
學科專業(yè):工程力學 授予學位:博士 學位授予單位:大連理工大學 學位年度: 2003年 大跨度橋梁抗震分析方法近幾十年來一直是國內(nèi)外學術(shù)界的研究熱點。近些年來,隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展,大中型橋梁建設(shè)也迅猛發(fā)展,耳前使用的《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTJ004—89)只能處理150m跨度內(nèi)的中小橋梁,已不能滿足工程設(shè)計的迫切需要。有鑒于此,有關(guān)單位已開展了規(guī)范修訂工作。其內(nèi)容之一就是對中大跨度橋梁的抗震方法(或原則)給出指導性建議。為此需要進行大量的理論研究和數(shù)值計算及比較。例如,普遍認為,進行大中型橋梁抗震分析時需考慮地震激勵的空間變化效應(yīng)。但目前設(shè)計規(guī)范采用的反應(yīng)譜法不能處理這類問題。時程分析法因計算量很大,亦難在工程中得到普及。隨機振動法在處理這類問題時理論上有很大的優(yōu)越性,但在國內(nèi)外地震工程中還幾乎沒有獲得實際應(yīng)用,主要原因之一就是計算復雜性。此外還有地震加速度功率譜的確定,計算結(jié)果的處理方法等等問題。虛擬激勵算法突破了計算效率瓶頸,并且易于處理多點激勵問題。因此,將隨機振動法作為一種新的橋梁抗震設(shè)計方法引入我國橋梁工程界不僅符合客觀需求,體現(xiàn)了設(shè)計水平的現(xiàn)代發(fā)展趨勢;而且在方法論上也有了比較有利的條件。從另一個角度講,在工程招投標國際化趨勢目益激烈的今天,如果能夠在規(guī)范中納入有我國獨特優(yōu)勢的技術(shù)手段,也有助于提高我國橋梁建筑行業(yè)的整體國際競爭力。西方列強用此手段制約他國的例子己經(jīng)屢見不鮮。本博士學位論文的工作圍繞《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTJ004—89)的修訂工作展開。不但為新版規(guī)范關(guān)鍵內(nèi)容的擴充提供了堅實的理論背景和一些高效可靠的先進分析方法,而且對于超越當前規(guī)范內(nèi)容的一些深層次問題也作了比較深入的探討。主要進行的研究工作如下: (1)將隨機振動法、反應(yīng)譜法和時程分析法進行了系統(tǒng)比較,作了大量數(shù)值計算,分析了不同跨度橋梁在一致/非一致地震激勵下的動態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明采用隨機振動法進行結(jié)構(gòu)抗震分析不但使橋梁設(shè)計更為安全可靠,而且簡便易行。尤其是將規(guī)范涵蓋的橋梁跨度范圍擴大到150m以上時,給出了充分的理論依據(jù)和方便的計算手段?! ?2)橋梁所受到的地震激勵是隨機的,而且結(jié)構(gòu)參數(shù)也具有隨機性。這兩種隨機性對于橋梁動力可靠度的影響往往不相上下。但是要同時考慮這兩種因素(復合隨機問題)又難度很大。本論文用虛擬激勵法將平穩(wěn)隨機激勵轉(zhuǎn)化為簡諧激勵,從而將復合隨機問題(結(jié)構(gòu)參數(shù)隨機且外激勵隨機)轉(zhuǎn)化為單隨機問題(僅結(jié)構(gòu)參數(shù)隨機)。建立了由單參數(shù)變異性攝動分析組合出多參數(shù)變異性分析結(jié)果的算法。提出的分析方法不僅效率很高,且精度也由數(shù)值模擬得到驗證。將該方法應(yīng)用于復雜橋梁體系,分析了參數(shù)隨機性對橋梁抗震性能的影響。這在以往的研究中還沒有見到。對于復雜橋梁工程結(jié)構(gòu)的復合隨機分析建立了新的手段?! ?3)對于大型復雜橋梁,已往由于隨機振動計算方法的局限性,具體的數(shù)值研究很不充分,大大限制了對動力可靠度理論規(guī)律的認識及其工程應(yīng)用。本論文將虛擬激勵法引入橋梁抗震可靠度分析。通過具體、準確的數(shù)值分析比較,對以前被認為很困難的均勻/非均勻隨機地震動場中橋梁可靠度的問題進行了深入研究,取得了良好的效果?! ∵@為橋梁體系的動力可靠度分析提供了一條實用的途徑,對未來橋梁規(guī)范的進一步發(fā)展作了有意義的探索。 (4)時間歷程法歷來是非線性地震反應(yīng)分析的主要手段。但是算法的精度和效率也從來是不盡人意的研究熱點。本論文將精細時程積分法用于復雜橋梁非線性地震響應(yīng)時域分析時,始終只應(yīng)用結(jié)構(gòu)初始振型進行降階計算,不但提高了求解效率,而且具有很好的精度。本論文還提出一種方便的結(jié)構(gòu)運動方程建立方法,充分利用了橋梁只有局部構(gòu)件進入非線性的特點:方程中局部非線性單元既可為剪切型菲線性,也可為彎曲型非線陛,更具有一般性,便于工程應(yīng)用?! ?5)在強烈隨機地震作用下,橋梁將局部進入非線性(彈塑性)狀態(tài)工作。傳統(tǒng)的算法都是將等效線性化方法與李亞普諾夫方程法相結(jié)合處理這類問題,效率很低。本論文中采用高效的虛擬激勵法代替了李亞普諾夫方程法。計算精度曝持一致,但是計算效率得到很大提高。實現(xiàn)了對復雜橋梁結(jié)構(gòu)進行有效的彈塑性數(shù)值分析。對于強震時易發(fā)生非線性滯變行為的橋墩構(gòu)件,則無論是發(fā)生剪切型破壞,還是彎曲型破壞,或者彎一剪型破壞,都統(tǒng)一地以gouc-Wen微分方程模型予以表達,使復雜橋梁結(jié)構(gòu)的局部菲線性彈塑性抗震分析建立了統(tǒng)一的表達框架?! ?
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