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【博士】橋梁抗震的線性非線性分析方法研究【2003】

內容簡介

　　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外學術界的研究熱點。近些年來，隨著我國經濟高速發(fā)展，大中型橋梁建設也迅猛發(fā)展，耳前使用的《公路工程抗震設計規(guī)范》(JTJ004—89)只能處理150m跨度內的中小橋梁，已不能滿足工程設計的迫切需要。有鑒于此，有關單位已開展了規(guī)范修訂工作。其內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。但目前設計規(guī)范采用的反應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，但在國內外地震工程中還幾乎沒有獲得實際應用，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計方法引入我國橋梁工程界不僅符合客觀需求，體現了設計水平的現代發(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屢見不鮮。本博士學位論文的工作圍繞《公路工程抗震設計規(guī)范》(JTJ004—89)的修訂工作展開。不但為新版規(guī)范關鍵內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、反應譜法和時程分析法進行了系統比較，作了大量數值計算，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。結果表明采用隨機振動法進行結構抗震分析不但使橋梁設計更為安全可靠，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，而且結構參數也具有隨機性。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)隨機激勵轉化為簡諧激勵，從而將復合隨機問題(結構參數隨機且外激勵隨機)轉化為單隨機問題(僅結構參數隨機)。建立了由單參數變異性攝動分析組合出多參數變異性分析結果的算法。提出的分析方法不僅效率很高，且精度也由數值模擬得到驗證。將該方法應用于復雜橋梁體系，分析了參數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構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時域分析時，始終只應用結構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構運動方程建立方法，充分利用了橋梁只有局部構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。傳統的算法都是將等效線性化方法與李亞普諾夫方程法相結合處理這類問題，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。實現了對復雜橋梁結構進行有效的彈塑性數值分析。對于強震時易發(fā)生非線性滯變行為的橋墩構件，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，都統一地以gouc-Wen微分方程模型予以表達，使復雜橋梁結構的局部菲線性彈塑性抗震分析建立了統一的表達框架。　　

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