【博士】桥梁抗震的线性非线性分析方法研究【2003】

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内容简介

　　学科专业：工程力学　　授予学位：博士　　学位授予单位：大连理工大学　　学位年度： 2003年　　大跨度桥梁抗震分析方法近几十年来一直是国内外学术界的研究热点。近些年来，随着我国经济高速发展，大中型桥梁建设也迅猛发展，耳前使用的《公路工程抗震设计规范》(JTJ004—89)只能处理150m跨度内的中小桥梁，已不能满足工程设计的迫切需要。有鉴于此，有关单位已开展了规范修订工作。其内容之一就是对中大跨度桥梁的抗震方法(或原则)给出指导性建议。为此需要进行大量的理论研究和数值计算及比较。例如，普遍认为，进行大中型桥梁抗震分析时需考虑地震激励的空间变化效应。但目前设计规范采用的反应谱法不能处理这类问题。时程分析法因计算量很大，亦难在工程中得到普及。随机振动法在处理这类问题时理论上有很大的优越性，但在国内外地震工程中还几乎没有获得实际应用，主要原因之一就是计算复杂性。此外还有地震加速度功率谱的确定，计算结果的处理方法等等问题。虚拟激励算法突破了计算效率瓶颈，并且易于处理多点激励问题。因此，将随机振动法作为一种新的桥梁抗震设计方法引入我国桥梁工程界不仅符合客观需求，体现了设计水平的现代发展趋势；而且在方法论上也有了比较有利的条件。从另一个角度讲，在工程招投标国际化趋势目益激烈的今天，如果能够在规范中纳入有我国独特优势的技术手段，也有助于提高我国桥梁建筑行业的整体国际竞争力。西方列强用此手段制约他国的例子己经屡见不鲜。本博士学位论文的工作围绕《公路工程抗震设计规范》(JTJ004—89)的修订工作展开。不但为新版规范关键内容的扩充提供了坚实的理论背景和一些高效可靠的先进分析方法，而且对于超越当前规范内容的一些深层次问题也作了比较深入的探讨。主要进行的研究工作如下：　　(1)将随机振动法、反应谱法和时程分析法进行了系统比较，作了大量数值计算，分析了不同跨度桥梁在一致／非一致地震激励下的动态响应。结果表明采用随机振动法进行结构抗震分析不但使桥梁设计更为安全可靠，而且简便易行。尤其是将规范涵盖的桥梁跨度范围扩大到150m以上时，给出了充分的理论依据和方便的计算手段。　　(2)桥梁所受到的地震激励是随机的，而且结构参数也具有随机性。这两种随机性对于桥梁动力可靠度的影响往往不相上下。但是要同时考虑这两种因素(复合随机问题)又难度很大。本论文用虚拟激励法将平稳随机激励转化为简谐激励，从而将复合随机问题(结构参数随机且外激励随机)转化为单随机问题(仅结构参数随机)。建立了由单参数变异性摄动分析组合出多参数变异性分析结果的算法。提出的分析方法不仅效率很高，且精度也由数值模拟得到验证。将该方法应用于复杂桥梁体系，分析了参数随机性对桥梁抗震性能的影响。这在以往的研究中还没有见到。对于复杂桥梁工程结构的复合随机分析建立了新的手段。　　(3)对于大型复杂桥梁，已往由于随机振动计算方法的局限性，具体的数值研究很不充分，大大限制了对动力可靠度理论规律的认识及其工程应用。本论文将虚拟激励法引入桥梁抗震可靠度分析。通过具体、准确的数值分析比较，对以前被认为很困难的均匀／非均匀随机地震动场中桥梁可靠度的问题进行了深入研究，取得了良好的效果。　　这为桥梁体系的动力可靠度分析提供了一条实用的途径，对未来桥梁规范的进一步发展作了有意义的探索。　　(4)时间历程法历来是非线性地震反应分析的主要手段。但是算法的精度和效率也从来是不尽人意的研究热点。本论文将精细时程积分法用于复杂桥梁非线性地震响应时域分析时，始终只应用结构初始振型进行降阶计算，不但提高了求解效率，而且具有很好的精度。本论文还提出一种方便的结构运动方程建立方法，充分利用了桥梁只有局部构件进入非线性的特点：方程中局部非线性单元既可为剪切型菲线性，也可为弯曲型非线陛，更具有一般性，便于工程应用。　　(5)在强烈随机地震作用下，桥梁将局部进入非线性(弹塑性)状态工作。传统的算法都是将等效线性化方法与李亚普诺夫方程法相结合处理这类问题，效率很低。本论文中采用高效的虚拟激励法代替了李亚普诺夫方程法。计算精度曝持一致，但是计算效率得到很大提高。实现了对复杂桥梁结构进行有效的弹塑性数值分析。对于强震时易发生非线性滞变行为的桥墩构件，则无论是发生剪切型破坏，还是弯曲型破坏，或者弯一剪型破坏，都统一地以gouc-Wen微分方程模型予以表达，使复杂桥梁结构的局部菲线性弹塑性抗震分析建立了统一的表达框架。　　

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