大型土木工程抗震防災(zāi)研究進(jìn)展與研究方向

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

1.大型土木工程抗震防災(zāi)研究進(jìn)展
　　大型土木工程的抗震防災(zāi)研究主要由試驗(yàn)研究、理論分析和工程實(shí)踐組成。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)作為研究結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、倒塌機(jī)理的主要手段之一，是結(jié)構(gòu)抗災(zāi)研究的基礎(chǔ)。在過(guò)去的20年間，針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂和破壞機(jī)理進(jìn)行了大量的構(gòu)件試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，為進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂和破壞機(jī)理的計(jì)算分析和數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。
　　近年來(lái)，隨著理論研究的深人和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，使得對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下倒塌反應(yīng)的數(shù)值分析與研究取得了很大進(jìn)展。結(jié)構(gòu)倒塌反應(yīng)的數(shù)值分析方法從是否考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)可分為靜力方法與動(dòng)力方法，靜力方法的典型代表是推覆法，動(dòng)力方法的典型代表為時(shí)程分析法。從是否考慮單元之間的連續(xù)性可劃分為連續(xù)性數(shù)值方法與非連續(xù)性(或分離性)數(shù)值方法，其典型代表分別為有限單元法(finite element method，F(xiàn)EM)和離散單元法(discrete element method，DEM)。
　　在結(jié)構(gòu)抗震力學(xué)分析方面，非線性、隨機(jī)性和耦合性一直是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)?；炷敛牧蠌椝苄該p傷本構(gòu)關(guān)系是抗震分析的基礎(chǔ)。由于混凝土材料先天性地具備多相復(fù)合性質(zhì)、初始微缺陷特征，使得混凝土結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上具有隨機(jī)性與非線性性質(zhì)。為了把握乃至控制設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，必須正確反映混凝土的隨機(jī)性與非線性。在20世紀(jì)80年代之前，關(guān)于混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究基本上是采用現(xiàn)象學(xué)的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法。近20年來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到對(duì)混凝土本構(gòu)關(guān)系的認(rèn)識(shí)如果只是從純力學(xué)或機(jī)械能守恒及損失的觀點(diǎn)去研究，就難以深人過(guò)程的物理本質(zhì)，建立起客觀的本構(gòu)模型。在不可逆熱力學(xué)的框架內(nèi)研究混凝土本構(gòu)關(guān)系，主要有內(nèi)時(shí)理論和損傷力學(xué)理論。從損傷力學(xué)研究的基點(diǎn)出發(fā)，建立混凝土破壞機(jī)理分析的細(xì)觀物理模型，有可能緩解乃至從根本上擺脫混凝土本構(gòu)關(guān)系研究的困境。
    經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者多年的努力，非線性計(jì)算理論在結(jié)構(gòu)分析模型、單元分析模型、恢復(fù)力模型、數(shù)值計(jì)算方法等方面取得了諸多重要成果。鋼筋混凝土空間結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析的力學(xué)模型可分為平動(dòng)模型、平扭模型和真三維模型。桿系型平扭模型是目前國(guó)內(nèi)外常用的力學(xué)分析模型，其計(jì)算結(jié)果的精度與空間桿元模型的優(yōu)劣密切相關(guān)?；謴?fù)力模型一般都是根據(jù)試驗(yàn)來(lái)確定的。
    目前，國(guó)內(nèi)外在工程計(jì)算中應(yīng)用的恢復(fù)力模型一般可分為曲線型和折線型。目前常用的空間桿件單元模型是單分量模型。又可細(xì)分為有限纖維模型、彈簧模型、塑性力學(xué)模型。空間結(jié)構(gòu)截面恢復(fù)力模型是由單軸截面恢復(fù)力模型擴(kuò)展而成的，它主要包括加載曲面函數(shù)的確定、加載曲面移動(dòng)規(guī)則及塑性流動(dòng)法則的選擇。加載曲面函數(shù)包括開(kāi)裂加載曲面函數(shù)和屈服加載曲面函數(shù)。目前加載曲面函數(shù)形狀的確定是參照截面在靜載作用下的破壞曲面方程進(jìn)行的。對(duì)于雙向彎曲截面，加載曲面普遍取為橢圓形狀；對(duì)于雙向彎矩及扭矩作用的截面，加載曲面一般采用橢球來(lái)描述，其依據(jù)是許多學(xué)者關(guān)于雙向彎曲截面破壞的研究成果。至于開(kāi)裂、屈服加載曲面的函數(shù)的具體形式，應(yīng)由單軸加載時(shí)截面的開(kāi)裂彎矩、屈服彎矩控制；而彈性、開(kāi)裂、屈服三個(gè)區(qū)域的剛度,應(yīng)與單軸受力情況下截面恢復(fù)力模型在相應(yīng)階段的剛度對(duì)應(yīng)。
　  在隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)響應(yīng)分析方面，由于問(wèn)題的復(fù)雜性，至20世紀(jì)90年代末，尚無(wú)獲取非線性隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)量的有效方法。在隨機(jī)攝動(dòng)思想的框架下，20世紀(jì)90年代若干學(xué)者對(duì)靜力和動(dòng)力問(wèn)題繼續(xù)進(jìn)行了探索。從隨機(jī)振動(dòng)理論中的等價(jià)線性化方法借鑒推廣而來(lái)的等價(jià)線性系統(tǒng)方法是20世紀(jì)90年代的另一研究思路。從目前的研究結(jié)果看，等價(jià)線性化技術(shù)還存在較多的問(wèn)題和爭(zhēng)論，精度往往難以得到保證。20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，一些研究者試圖在非線性隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)響應(yīng)分析中應(yīng)用正交多項(xiàng)式展開(kāi)方法，從數(shù)值結(jié)果來(lái)看效果尚不甚理想。最近，借鑒在線性隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)靜力分析中給出的結(jié)構(gòu)響應(yīng)關(guān)于基本隨機(jī)變量的顯式表達(dá)，Impollonia和Sofi給出響應(yīng)面的近似表達(dá)。這一思路目前還只初見(jiàn)端倪，至于動(dòng)力分析，則還未見(jiàn)報(bào)道。從上述分析來(lái)看，對(duì)非線性隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，無(wú)論是靜力還是動(dòng)力分析問(wèn)題，即便就獲取二階統(tǒng)計(jì)量而言，離實(shí)用的距離都還很遠(yuǎn)。
　  結(jié)構(gòu)與地基的動(dòng)力相互作用是典型的耦合力學(xué)問(wèn)題，這也是地震工程和巖土工程的最基本問(wèn)題之一，在20世紀(jì)70年代開(kāi)始了系列的研究。近10年的主要進(jìn)展有：振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)越來(lái)越得到人們的接受并取得了很大發(fā)展；數(shù)值分析已經(jīng)從頻域向時(shí)域發(fā)展，從線性分析向非線性分析發(fā)展；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和強(qiáng)震觀測(cè)已成為檢驗(yàn)理論的重要手段，并更加受到人們的重視；模型試驗(yàn)、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合將為這一領(lǐng)域的研究提供更廣闊的發(fā)展空間。
　  20世紀(jì)80年代之后，我國(guó)高層及超高層建筑高速度發(fā)展，進(jìn)行這些高層及超高層建筑的抗震研究要比中低層建筑復(fù)雜得多。特別是年代以后，許多世界頂級(jí)的橋梁，如楊浦、盧浦大橋，南京三橋，蘇通大橋，武漢天興洲公、鐵兩用大橋在中國(guó)出現(xiàn)。這些大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)機(jī)理、性態(tài)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)易損性是當(dāng)今結(jié)構(gòu)抗震研究的前沿。在大量的理論和試驗(yàn)研究以及工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，編寫(xiě)了《超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)指南》和《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》以及相關(guān)的專著和論文，為這些大型復(fù)雜高層建筑工程和大跨橋梁和復(fù)雜大型立交工程的抗震設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。