【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(xué)科專業(yè)：工程力學(xué)　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：大連理工大學(xué)　　學(xué)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(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。近些年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)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(dǎo)性建議。為此需要進(jìn)行大量的理論研究和數(shù)值計(jì)算及比較。例如，普遍認(rèn)為，進(jìn)行大中型橋梁抗震分析時(shí)需考慮地震激勵(lì)的空間變化效應(yīng)。但目前設(shè)計(jì)規(guī)范采用的反應(yīng)譜法不能處理這類問題。時(shí)程分析法因計(jì)算量很大，亦難在工程中得到普及。隨機(jī)振動法在處理這類問題時(shí)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(shí)際應(yīng)用，主要原因之一就是計(jì)算復(fù)雜性。此外還有地震加速度功率譜的確定，計(jì)算結(jié)果的處理方法等等問題。虛擬激勵(lì)算法突破了計(jì)算效率瓶頸，并且易于處理多點(diǎn)激勵(lì)問題。因此，將隨機(jī)振動法作為一種新的橋梁抗震設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)角度講，在工程招投標(biāo)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(dú)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(qiáng)用此手段制約他國的例子己經(jīng)屢見不鮮。本博士學(xué)位論文的工作圍繞《公路工程抗震設(shè)計(jì)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(kuò)充提供了堅(jiān)實(shí)的理論背景和一些高效可靠的先進(jìn)分析方法，而且對于超越當(dāng)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(jìn)行的研究工作如下：　　(1)將隨機(jī)振動法、反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法進(jìn)行了系統(tǒng)比較，作了大量數(shù)值計(jì)算，分析了不同跨度橋梁在一致／非一致地震激勵(lì)下的動態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明采用隨機(jī)振動法進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析不但使橋梁設(shè)計(jì)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(kuò)大到150m以上時(shí)，給出了充分的理論依據(jù)和方便的計(jì)算手段。　　(2)橋梁所受到的地震激勵(lì)是隨機(jī)的，而且結(jié)構(gòu)參數(shù)也具有隨機(jī)性。這兩種隨機(jī)性對于橋梁動力可靠度的影響往往不相上下。但是要同時(shí)考慮這兩種因素(復(fù)合隨機(jī)問題)又難度很大。本論文用虛擬激勵(lì)法將平穩(wěn)隨機(jī)激勵(lì)轉(zhuǎn)化為簡諧激勵(lì)，從而將復(fù)合隨機(jī)問題(結(jié)構(gòu)參數(shù)隨機(jī)且外激勵(lì)隨機(jī))轉(zhuǎn)化為單隨機(jī)問題(僅結(jié)構(gòu)參數(shù)隨機(jī))。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(yàn)證。將該方法應(yīng)用于復(fù)雜橋梁體系，分析了參數(shù)隨機(jī)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(fù)雜橋梁工程結(jié)構(gòu)的復(fù)合隨機(jī)分析建立了新的手段?！　?3)對于大型復(fù)雜橋梁，已往由于隨機(jī)振動計(jì)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(rèn)識及其工程應(yīng)用。本論文將虛擬激勵(lì)法引入橋梁抗震可靠度分析。通過具體、準(zhǔn)確的數(shù)值分析比較，對以前被認(rèn)為很困難的均勻／非均勻隨機(jī)地震動場中橋梁可靠度的問題進(jìn)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(shí)用的途徑，對未來橋梁規(guī)范的進(jìn)一步發(fā)展作了有意義的探索?！　?4)時(shí)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(diǎn)。本論文將精細(xì)時(shí)程積分法用于復(fù)雜橋梁非線性地震響應(yīng)時(shí)域分析時(shí)，始終只應(yīng)用結(jié)構(gòu)初始振型進(jìn)行降階計(jì)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(yùn)動方程建立方法，充分利用了橋梁只有局部構(gòu)件進(jìn)入非線性的特點(diǎn)：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(qiáng)烈隨機(jī)地震作用下，橋梁將局部進(jìn)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(lì)法代替了李亞普諾夫方程法。計(jì)算精度曝持一致，但是計(jì)算效率得到很大提高。實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的彈塑性數(shù)值分析。對于強(qiáng)震時(shí)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(dá)，使復(fù)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(dá)框架。　　

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