大型土木工程抗震防灾研究进展与研究方向

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1.大型土木工程抗震防灾研究进展
　　大型土木工程的抗震防灾研究主要由试验研究、理论分析和工程实践组成。结构试验作为研究结构开裂、倒塌机理的主要手段之一，是结构抗灾研究的基础。在过去的20年间，针对复杂结构的开裂和破坏机理进行了大量的构件试验和振动台试验研究，为进行复杂结构的开裂和破坏机理的计算分析和数值模拟奠定了基础。
　　近年来，随着理论研究的深人和计算机技术的高速发展，使得对钢筋混凝土结构在地震作用下倒塌反应的数值分析与研究取得了很大进展。结构倒塌反应的数值分析方法从是否考虑结构的动力效应可分为静力方法与动力方法，静力方法的典型代表是推覆法，动力方法的典型代表为时程分析法。从是否考虑单元之间的连续性可划分为连续性数值方法与非连续性(或分离性)数值方法，其典型代表分别为有限单元法(finite element method，FEM)和离散单元法(discrete element method，DEM)。
　　在结构抗震力学分析方面，非线性、随机性和耦合性一直是研究人员关注的重点。混凝土材料弹塑性损伤本构关系是抗震分析的基础。由于混凝土材料先天性地具备多相复合性质、初始微缺陷特征，使得混凝土结构在本质上具有随机性与非线性性质。为了把握乃至控制设计结构，必须正确反映混凝土的随机性与非线性。在20世纪80年代之前，关于混凝土本构关系的研究基本上是采用现象学的经验统计方法。近20年来，人们逐渐认识到对混凝土本构关系的认识如果只是从纯力学或机械能守恒及损失的观点去研究，就难以深人过程的物理本质，建立起客观的本构模型。在不可逆热力学的框架内研究混凝土本构关系，主要有内时理论和损伤力学理论。从损伤力学研究的基点出发，建立混凝土破坏机理分析的细观物理模型，有可能缓解乃至从根本上摆脱混凝土本构关系研究的困境。
    经过众多学者多年的努力，非线性计算理论在结构分析模型、单元分析模型、恢复力模型、数值计算方法等方面取得了诸多重要成果。钢筋混凝土空间结构非线性地震反应分析的力学模型可分为平动模型、平扭模型和真三维模型。杆系型平扭模型是目前国内外常用的力学分析模型，其计算结果的精度与空间杆元模型的优劣密切相关。恢复力模型一般都是根据试验来确定的。
    目前，国内外在工程计算中应用的恢复力模型一般可分为曲线型和折线型。目前常用的空间杆件单元模型是单分量模型。又可细分为有限纤维模型、弹簧模型、塑性力学模型。空间结构截面恢复力模型是由单轴截面恢复力模型扩展而成的，它主要包括加载曲面函数的确定、加载曲面移动规则及塑性流动法则的选择。加载曲面函数包括开裂加载曲面函数和屈服加载曲面函数。目前加载曲面函数形状的确定是参照截面在静载作用下的破坏曲面方程进行的。对于双向弯曲截面，加载曲面普遍取为椭圆形状；对于双向弯矩及扭矩作用的截面，加载曲面一般采用椭球来描述，其依据是许多学者关于双向弯曲截面破坏的研究成果。至于开裂、屈服加载曲面的函数的具体形式，应由单轴加载时截面的开裂弯矩、屈服弯矩控制；而弹性、开裂、屈服三个区域的刚度,应与单轴受力情况下截面恢复力模型在相应阶段的刚度对应。
　  在随机结构系统响应分析方面，由于问题的复杂性，至20世纪90年代末，尚无获取非线性随机结构系统响应统计量的有效方法。在随机摄动思想的框架下，20世纪90年代若干学者对静力和动力问题继续进行了探索。从随机振动理论中的等价线性化方法借鉴推广而来的等价线性系统方法是20世纪90年代的另一研究思路。从目前的研究结果看，等价线性化技术还存在较多的问题和争论，精度往往难以得到保证。20世纪90年代中期以来，一些研究者试图在非线性随机结构系统响应分析中应用正交多项式展开方法，从数值结果来看效果尚不甚理想。最近，借鉴在线性随机结构系统静力分析中给出的结构响应关于基本随机变量的显式表达，Impollonia和Sofi给出响应面的近似表达。这一思路目前还只初见端倪，至于动力分析，则还未见报道。从上述分析来看，对非线性随机结构系统，无论是静力还是动力分析问题，即便就获取二阶统计量而言，离实用的距离都还很远。
　  结构与地基的动力相互作用是典型的耦合力学问题，这也是地震工程和岩土工程的最基本问题之一，在20世纪70年代开始了系列的研究。近10年的主要进展有：振动台模型试验和离心机模型试验越来越得到人们的接受并取得了很大发展；数值分析已经从频域向时域发展，从线性分析向非线性分析发展；现场实验和强震观测已成为检验理论的重要手段，并更加受到人们的重视；模型试验、数值分析和现场实验的紧密结合将为这一领域的研究提供更广阔的发展空间。
　  20世纪80年代之后，我国高层及超高层建筑高速度发展，进行这些高层及超高层建筑的抗震研究要比中低层建筑复杂得多。特别是年代以后，许多世界顶级的桥梁，如杨浦、卢浦大桥，南京三桥，苏通大桥，武汉天兴洲公、铁两用大桥在中国出现。这些大型复杂结构的地震反应机理、性态设计和结构易损性是当今结构抗震研究的前沿。在大量的理论和试验研究以及工程实践的基础上，编写了《超限高层建筑工程抗震设计指南》和《城市桥梁抗震设计规范》以及相关的专著和论文，为这些大型复杂高层建筑工程和大跨桥梁和复杂大型立交工程的抗震设计提供了理论指导和技术支持。