王恒[1]2004年在《钢筋混凝土框架结构在平稳非平稳地震波激励下的动力可靠度研究》文中研究指明目前,建筑物由于在不确定性动荷载作用(如地震、风等作用)下的设计理论尚不完善,结果导致:结构或构件不能按照预定的概率完成规定的时间内、规定的条件下的预定功能,造成事故的发生;或者,因为过大的安全系数而造成建筑的浪费。为避免以上两种极端情况的发生,使结构达到安全、经济、合理的设计目标,有必要研究结构的动力可靠度问题。本文主要针对钢筋混凝土框架结构在动力作用下的可靠度问题进行研究。结构动力可靠度是结构可靠度的一个分支,研究它的必要性既有研究可靠度问题的必要性又有研究动力问题的必要性。之所以选择框架这种形式的结构来进行动力可靠度的研究有这几方面的原因:(一)钢筋混凝土框架结构是我国建筑的主要结构形式之一;(二)目前随着结构设计理论的逐步完善,钢筋混凝土框架结构设计理论也已较为完善;(叁)结构动力可靠度理论研究起来较为困难,钢筋混凝土框架这种结构形式有利于在理论方面进行推导,也有利于计算机(具体是指有限元分析软件的应用)的辅助校核;(四)钢筋混凝土框架结构理论可以延伸到其他形式的结构理论领域。本文在把钢筋混凝土框架结构体系简化为弹性质点体系,建立、求解振动微分方程组的基础上,推导了平稳地震波激励下的振子过程的互相关函数、互功率谱密度函数,及可平稳化的非平稳地震波激励下的振子过程的互相关函数。分析了反应谱法计算振子谱强度函数的全过程。建立了基于层间位移差的失效准则,并将其应用于求解结构的动力可靠度问题之中。系统地研究了动力过程失效的相关性,提出了完全相关形式的唯一性,解决了目前难于解决的体系动力可靠度问题,建立了一种求解体系动力可靠度的更精确的模式——动力PNET模式。本文通过对一栋四层钢筋混凝土框架结构的动力可靠度计算,对比分析了求解振子谱强度的功率谱密度法及反应谱法两种方法的结果,及基于质点位移失效准则和层间位移差失效准则的可靠度计算结果。最终由本文提出的DPNET法计算出整个结构体系的动力可靠度。
卜国雄[2]2010年在《高耸结构基于性能的TMD/AMD设计及其动力可靠度分析》文中认为被动调谐质量阻尼器和主动调谐质量阻尼器(TMD/AMD)作为有效的结构振动控制手段,正逐渐被运用于大量的实际工程中。但现阶段在TMD/AMD理论分析和工程应用中存在着一些亟待解决的难点和不足,制约了TMD/AMD的进一步研究和实际工程应用的推广。基于此,本文以广州新电视塔为实际工程背景,针对整个设计、计算和实施主被动混合控制(HMD)装置中遇到的实际问题,对TMD/AMD在优化设计、理论计算方法、动力可靠度性能及模型试验等方面进行了系统的深入研究,同时考虑了实际结构的不确定性。这对于进一步推进TMD/AMD控制的深化研究和在实际工程中的应用具有重要的意义。本文的主要研究内容包括以下几个方面:1.以能量作为性能指标,进行了基于能量法的TMD/AMD优化设计研究。首先根据能量法原理,对TMD/AMD体系的能量平衡进行了较详细的分析,深入了解其在整个地震过程各部分能量的分配组成和传递机理;然后以主结构在整个地震过程中吸收的能量值最小作为优化准则,考虑了主结构阻尼的影响,通过非线性规划的数学方法得出TMD的最优频率比和最优阻尼比,并采用最小二乘法拟合出相应设计参数的数学表达式,进一步分析了TMD质量比、阻尼比、频率比与主结构能量的影响关系。2.传统复模态法在求解TMD-结构体系随机响应时,存在推导复杂、精确度不高及难以计算非平稳响应等不足。本文基于状态空间表达的TMD/AMD-结构动力微分方程,运用虚拟激励法,并引入精细积分法进行计算,提出了一种精确、快速的求解平稳/非平稳随机地震作用下TMD/AMD-结构的响应分析方法。同时,对非平稳随机地震下TMD的减振性能进行了研究,并采用结构的最大弹性层间位移角限值作为控制指标建立极限状态方程,基于首次超越破坏理论,进行了无控和TMD控制下结构的可靠度对比分析。3.研究了TMD-高耸结构体系的随机风振响应分析。首先,考虑复杂超高耸结构具有自由度数多、小阻尼及振型密集等特点,针对传统方法在处理大型复杂实际结构受多点随机激励中的不足,提出了基于虚拟激励法的复杂超高耸结构的随机风振响应分析方法;其次,针对实际高耸结构在设置TMD控制装置时,存在TMD行程受限的问题,进行了带限位TMD的抗风动力可靠度研究。即采用虚拟激励法求解TMD-结构体系的随机风振响应,基于随机振动的首次超越破坏准则,研究TMD装置在容许行程范围内不同重现期风荷载下的动力可靠度,为实际工程运用中TMD参数的选取提供指导和更好地评估TMD的性能。4.考虑到实际工程结构的不确定性,进行了MTMD/AMD控制下随机结构的动力可靠度分析。以神经网络响应面法为基础,通过引入遗传算法的全局搜索功能,提出了一种基于遗传优化的神经网络响应面法的随机结构动力可靠度分析方法;并对不确定性结构在TMD及MTMD控制下的动力可靠度进行对比分析,进一步验证了MTMD对频率调谐的鲁棒性和有效性,对随机结构,MTMD比TMD能更好地提高结构的动力可靠度性能指标。5.进行了TMD/AMD模型的模拟振动台试验研究。对整个TMD/AMD装置和现阶段比较流行的直驱式AMD直线电机系统的相关特性进行了深入的研究;引入能量法对试验结果进行分析,验证了TMD/AMD体系的能量平衡理论,并从能量这一性能指标对TMD/AMD的减振效果进行了评估。接着结合实际工程要求,基于首次超越破坏准则,对主结构和带限位TMD的动力可靠度进行了相应的探讨。6.以投资-效益准则作为性能指标,提出了基于性能的TMD/AMD减振装置的优化设计方法。首先分析TMD装置系统的全寿命周期费用LCC(Life Cycle Cost)的构成及与减振效果之间的关系。然后,进行TMD装置的效-费比分析,以效-费比为优化性能指标,求出减振控制系统的最优参数,以最低的费用,达到最好的效果,节约资源。此外,提出了减振控制装置全寿命费用和效-费比的概念,为各种减振控制策略的有效性、经济性及可靠性等提供一种评价指标。
朱佳宁[3]2008年在《型钢钢筋混凝土框架结构随机地震反应分析》文中进行了进一步梳理与其它传统结构相比,型钢混凝土结构具有独特的优点和良好的抗震性能,是一种有广泛应用前景的钢与混凝土组合结构形式。随机振动理论应用于研究地震工程以来,已经取得了相当的成果,对指导结构抗震、减小地震造成的各种灾害发挥了很大的作用。随着强震地面运动集散地记录的积累和人们对地面运动特征认识的不断深化,基于振动理论的抗震设计理念和方法最终将替代现有的确定性设计方法。开展随机地震作用下的型钢钢筋混凝土结构响应分析是十分必要的。本文的主要工作内容如下:1)基于结构随机振动研究现状,详细分析了虚拟激励法和概率密度演化在工程结构抗震分析中的应用;2)选取地震动随机模型,根据随机振动理论采用迭代方法求解出与我国现行规范设计反应谱相对应的功率谱密度函数,运用非线性拟合技术拟合上述功率谱密度函数,给出与规范相应的功率谱参数;3)完成了6个型钢高强混凝土柱的试验研究,得到了试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线。对应于不同参数的型钢高强混凝土柱的破坏形态和滞回特性,分析了轴压力系数、配箍率对型钢高强混凝土柱抗震性能的影响;4)根据构件反复加载试验结果和分析,建立了型钢钢筋混凝土结构的光滑恢复力模型参数与结构设计参数的关系,利用等效线性化方法,进行了剪切型型钢钢筋混凝土框架结构弹塑性随机变形反应分析;5)基于随机因子法构建随机型钢混凝土框架结构的动力响应分析模型并给出求解方法,从SRC框架结构随机响应在频域上的表达式出发,推导随机SRC框架结构在平稳随机激励和非平稳随机激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式;6)基于结构的随机破损分析方法,以变形和耗能的线性组合定义结构的破损度,对SRC模型进行了期望破损度分析和结构的模糊动力可靠性分析。
李春锋[4]2015年在《高层连体结构动力可靠度与减震控制理论研究》文中进行了进一步梳理高层连体结构在动力特性与确定性激励作用下的地震响应方面已有了大量的研究成果,这些成果大多未考虑地震动随机性或研究仅针对具体工程进行,研究结论的较大离散性使设计者对高层连体结构的性态难以进行全面有效的把握与控制。一方面,我国“工程结构可靠度设计统一标准”明确提出:在有条件的情况下建筑结构宜进行可靠度分析,但对高层连体结构动力可靠度研究可供参考的成果较少;另一方面,人们对于基于传统结构抗震性能的要求已发生了较大变化,提出并积极推进结构减震控制技术的发展,高层连体结构主动、智能减震控制的研究成果也很少。基于上述讨论,本文从7个方面对高层连体结构动力可靠度与减震控制理论进行了较系统的研究。1.高层连体结构地震响应影响参数研究。以毗邻结构周期比反映结构的非对称程度,以连体刚度变化反映连体协调塔楼的能力,结合数值算例详细讨论了不同周期比、不同连体刚度条件下连体结构的动力特性与地震响应。2.高层连体结构的平稳随机地震响应分析。鉴于强震下地震动满足大致平稳的规律,选用Clough和Penzien建议的修正过滤白噪声地震动随机模型,提出将虚拟激励法与状态空间分析法相结合,直接采用功率谱密度法进行多遇、罕遇地震作用下高层连体结构的平稳随机响应分析,罕遇地震作用下采用刚度退化的Bouc-Wen模型模拟连体结构楼层的滞变特性,并对分析结果采用Monte Carlo随机抽样法进行比拟研究。3.高层连体结构的非平稳随机地震响应分析。考虑地震作用的非平稳性,将连体分为“强连体”与“弱连体”,将连体与塔楼的连接方式分为“刚性连接”与“柔性连接”;建立了不同连接位置、连接方式下高层连体结构的动力分析模型,罕遇地震作用下采用刚度退化的Bouc-Wen模型和Bouc-Wen模型分别模拟塔楼各楼层和柔性连体的滞变特性;将虚拟激励法、状态空间分析法及混合精细积分法结合运用求解罕遇地震下连体结构每一时刻的响应,得到连体结构在不同连接方式、不同连接位置处的非平稳随机地震响应。4.高层连体结构动力可靠度研究。从4个方面详细探讨了高层连体结构在平稳随机激励和非平稳随机激励条件下连体结构的动力可靠度。平稳随机激励下,假定连体结构最大层间位移角服从对数正态分布,采用前述平稳随机响应统计量得到5种连接工况下连体结构的动力可靠度,并采用Monte Carlo随机抽样法进行比拟研究;非平稳随机激励下,以结构层间最大位移首次超越层间位移角限值作为结构的破坏界限,基于首次超越破坏准则,假设交叉事件是成群出现且各群之间是相互独立的Makov过程,在非平稳随机地震响应分析的基础上得出了多遇、罕遇地震作用下刚性连体位置、刚性弱连体位置及阻尼弱连体位置对连体结构动力可靠度的影响。5.高层连体结构的主动控制理论研究。为弥补经典LQR最优控制算法要通过试算方法确定最优控制参数Q和R的困难,提出了2种主动最优极点配置算法,并采用3种主动控制算法对减震连体结构进行多遇、罕遇地震作用下的时程分析、非平稳随机地震响应分析与动力可靠度分析,并采用Monte Carlo随机抽样法对非平稳随机地震响应与动力可靠度分析的结果进行了比拟研究,得出叁种主动控制算法在高层连体结构减震控制理论应用方面的有效性与正确性。6.高层连体结构的模糊减震控制理论研究。给出了高层连体结构模糊控制器的设计方法,建立了高层连体结构模糊控制系统仿真结构图。以经典LQR算法结论为对比,对给定数值算例进行了系统的模糊减震控制研究,所得结果表明两种减震控制方案均能实现对连体结构的有效控制,但模糊控制具有不依赖模型精确性的优势,为工程的具体应用提供了更好的参考价值。7.连体结构的动力试验研究。以自制加工的6层双塔楼连体钢框架结构为试验研究对象,采用7条天然地震波激励给定试验模型,得到连体位置变化对连体结构地震响应均值、标准差及的最大值响应影响曲线,所得结论从试验分析的角度对前述理论研究进行了一定的补充和验证。
刘强[5]2012年在《基于小波变换及混沌的结构动力仿真分析》文中研究指明结构动力非线性分析始终是抗震研究中的核心问题。本文研究工作的重点在于采用现代数学手段(小波和Hilbert-Huang变换理论以及混沌系统的工具和方法)实现结构动力仿真分析。在地震激励输入阶段,以小波变换代替传统Fourier变换,充分利用小波变换和希尔伯特-黄(HHT)变换两种处理非平稳信号的最有效的工具,从而获取更加丰富的特征信息；在数值计算阶段,利用混沌系统的主要工具与方法求解结构工程中非线性动力学中的最大Lyapunoy指数、相轨迹图、Poincare截面图、功率谱法等,从中可以获得工程结构的复杂动力学行为,以及进入和离开混沌之路。研究成果将为“中震可修、大震不倒”提供新的研究思路和方法。为此,论文主要开展以下几个方面的研究工作：(1)基于小波和HHT变换的结构地震瞬态反应分析,从中获得了长短周期结构的位移响应特征的差异,发现短周期结构的反应以稳态振动控制为主,而长周期结构的反应以瞬态振动控制为主。同时还揭示长周期结构在地震作用下的独特动力学规律和特性。特别是在高耸结构中还发现同一结构存在着具有两种不同周期特性的动力响应规律。为超高、特长特种结构的抗震设计提供基础性的研究资料。(2)基于小波和HHT变换的地震动瞬时谱的研究,对地震动非平稳特性进行分析,为反映不同地震波的峰均比指标,首次提出了用地震动峰值能量的最大值和峰值系数作为评估地震波震动破坏力效应的定量指标；研究了恢复力模型的选择对结构非线性地震响应的影响。为结构抗震设计合理选择地震动输入和恢复力模型提供参考。(3)从非弹性体系的地震响应分析入手,得到了在地震作用下弹塑性体系屈服的过程和机理：结构体系屈服具有累积效应,恢复力与变形的滞回环存在左右“漂移”现象,间隙与碰撞是结构进入混沌状态产生的根源。研究了含间隙与裂缝的钢筋混凝土结构的迟滞非线性问题,发现系统刚度软化,共振点漂移等现象。(4)着重研究在强震作用下混凝土结构破坏产生裂缝之后,并在地震往复荷载作用下缝面产生碰撞、滑移等复杂受力状态,由此结构进入混沌系统的判别与应用；建立裂缝间隙与碰撞的结构计算模型,推导动力响应方程公式。应用混沌振动的数值识别方法来识别和刻画工程结构中的混沌振动现象以及动力特性。为新一代抗震规范实现结构仿真计算的数字化、可视化、定量化提供科学依据。(5)研究在地震作用下两种结构的破坏机制和实用计算方法：研究长周期结构首次穿越破坏的计算方法,短周期结构的累积损伤破坏的实用计算方法。为进一步实现结构在强震作用下的寿命预估提供必要的技术储备。
罗晓峰[6]2015年在《独柱式城市高架桥抗震分析与设计方法研究》文中研究指明对独柱式城市高架桥进行高效准确的抗震分析及抗震设计,是目前国内外工程抗震领域亟待解决的问题之一。本文结合浙江省交通运输厅科技计划项目“独柱桥墩合理构造型式及实用设计方法的研究(2010H32)”以及浙江省建设厅科研推广项目“基于性能的独柱式城市高架桥桥墩抗震理论分析及试验研究(20142129)”,以独柱式城市高架桥为背景,对独柱墩构件及桥梁系统的抗震分析、设计以及评估方法进行了相关的数值计算和理论分析。主要研究内容及成果如下：(1)对不同施工工艺的独柱墩进行了基于塑性铰模型的抗震性能分析；针对不同的抗震性态评价指标,得出每一个评价指标所对应的最适合的塑性铰模型,为桥梁抗震工作者提供理论指导。(2)提出了改进的基于统计线性化的非线性随机振动虚拟激励法,通过算例进行验证,发现此方法突破了随机振动计算效率低的瓶颈,并且比常规的反应谱法更精确,比动力时程法更高效；以独柱式城市高架桥为研究算例,对其进行相关参数的影响分析,结果表明采用本文所提算法进行计算时,随着独柱墩墩高、桥梁跨度与跨数、视波速以及相干效应的变化,对应的墩顶、墩底的内力及位移会有不同规律的变化,此结论可为独柱式城市高架桥的抗震分析提供准确的理论依据。(3)基于性能的抗震设计理念,确定了城市高架桥的抗震设防水准、性能水准以及对应的性能目标；结合模糊逻辑控制法、神经网络法、自适应遗传算法的优点,提出了一种可以考虑非线性的基于性能的独柱桥墩的抗震设计方法；选取不同截面型式的独柱墩进行验算,发现由此算法所确定的最优设计方案不仅可以满足抗震等级要求及结构性能要求,还可以最大限度地减少工程造价；对设计结果进行Pushover分析,发现其能力曲线与试验滞回环的包络曲线骨架基本一致,说明所提算法的实用性及精确性；将此算法应用于独柱式城市高架桥独柱墩的抗震设计中,可方便、准确、高效的确定其最优设计方案。(4)以可靠度理论为基础,结合能量抗震分析方法,提出了基于滞回能的独柱式城市高架桥抗震设计方法；通过算例研究可以发现：采用此方法确定的独柱式城市高架桥的动力可靠度与地震动平稳持时和地震动谱强度因子有关,随着平稳持时和谱强度因子的增加,桥梁结构的动力可靠度会逐渐减小。(5)以基于性能和的可靠度的抗震设计理论为基础,对不同抗震设防水准下的独柱式城市高架桥进行抗震性能理论分析；采用非线性随机有限元法和概率Pushover法对研究算例进行桥墩及桥梁整体的可靠性研究；结果发现：桥梁整体的失效概率大于单个构件的失效概率；桥梁整体失效概率随着PGA和震级的增加而增加；桥梁在横向更易损坏,因此具有较大的地震风险；非线性随机有限元法与概率Pushover法的计算结果基本一致,但前者的计算值偏小,偏于保守。(6)以全概率理论为基础,基于性能的地震工程框架,引入IDA法,对桥梁结构进行概率地震需求分析,求得易损性曲线,结合地震危险性分析,对通过拉丁超立方体抽样法选取的8个独柱式城市高架桥样本进行数值模拟与计算,最终从概率的角度对研究算例进行抗震性能评估；结果发现：在纵向和横向地震输入下,八个桥梁样本均满足多重抗震设防水准,无论在哪一级的性能水准下均能正常服役,有较高的安全储备,为桥梁工作者提供了一种简单可靠的抗震性能评估方法。
禹慧[7]2003年在《钢框架弹塑性地震反应及动力可靠性研究》文中指出本文将结构pushover分析方法及随机振动方法应用于钢框架的弹塑性地震反应分析中。并通过算例分析了节点域剪切变形、结构二阶效应对于钢框架的受力变形性能、两阶段抗震设计以及地震下的动力可靠性等方面的影响。本文第二章首先推导了钢框架考虑节点剪切变形、二阶效应及材料非线性的单元刚度矩阵,然后运用静力缩聚法将结构化为质点串模型。本文第叁章采用pushover方法分析了节点域剪切变形及结构二阶效应对钢框架受力变形性能的影响,将pushover方法与反应谱结合后分析其对于钢框架抗震设计的影响。本文的第四章运用等效线性化方法得到了结构的等效阻尼及等效刚度,在此基础上提出了钢框架弹塑性随机地震反应分析的随机振型分解法。并首次将复模态分析方法应用到钢框架的随机地震反应分析中,提出了钢框架在非平稳地震激励下的反应统计量的求解方法。本文最后采用低周疲劳破坏机制对钢框架在地震下的动力可靠度进行了分析。 通过本文的研究及算例分析,得到了以下结论: (1)结构的二阶效应和节点的剪切变形会降低结构的抗侧刚度,增大结构的侧向位移,在用pushover方法进行钢框架抗震设计时必须考虑这两个因素。 (2)结构的二阶效应和节点的剪切变形会增大结构发生各种破损的概率,降低结构的抗震可靠度。
黄举[8]2018年在《基于非平稳地震模型的框架结构随机响应及可靠度分析》文中研究指明结构随机振动理论已广泛应用于分析规则结构的地震响应问题,以往对结构随机振动响应的研究,常将作用于结构基础的地震激励用高斯白噪声过程模拟。实际上,地震震源以脉冲的形式不断向外释放能量,在能量传播的过程中,地震波被地壳各土层界面多次反射和折射,使作用于结构基础的面波的非平稳性大大增加,因此,地震动模型考虑震源脉冲强度非平稳性和场地土层过滤作用这两个因素后,更能体现地面地震动的物理特性。此外,过去的结构随机振动的研究将水平和竖直两个方向上的地震激励视为相互独立的两个变量,实际上这两个变量是多个方向上的地震激励正交分解得到的,具有明显的相关性。本文基于以上问题展开研究,主要包含:(1)分析了水平高斯白噪声激励下框架结构随机响应及可靠度。首先将基岩的振动模拟为高斯白噪声和均匀调制高斯白噪声,视场地土层为天然二阶线性滤波器,建立典型框架结构在非平稳过滤高斯白噪声激励下的运动方程,联立二阶滤波方程和结构运动方程,然后采用累计矩截断法求得结构在非平稳过滤高斯白噪声激励下的地震响应,最后研究场地参数对结构地震响应及抗震可靠度的影响。结果表明:地震动模型考虑场地土层过滤作用后,地震激励下的结构随机响应更具代表性。(2)分析了水平和竖向地震作用下框架结构随机响应及可靠度。首先研究了竖向地震作用对结构水平地震响应的影响。然后将地震激励分别用过滤高斯白噪声和均匀调制过滤高斯白噪声进行模拟,研究水平和竖向地震作用相关性对结构水平响应及其可靠度的影响,最后通过对比两种地震激励模型下的结构抗震可靠度,探索地震非平稳性对结构抗震可靠度的影响。结果表明:地震作用的强度非平稳性越强,水平和竖向地震作用的相关性对结构地震响应的影响越显着。(3)分析了水平泊松白噪声激励下框架结构响应及可靠度。采用泊松白噪声过程模拟基岩振动来研究结构地震响应及其抗震可靠度问题,探索泊松白噪声与高斯白噪声激励下结构地震响应的联系。结果表明:高斯白噪声激励下的结构地震响应曲线是泊松白噪声激励下的包络线;场地条件的过滤效应会削弱泊松白噪声的非高斯特性。
韩立中[9]2009年在《大跨度自锚式斜拉悬索桥分析方法与性能研究》文中进行了进一步梳理近年来,随着交通科技的发展各种各样的桥型也随即产生,大跨径悬索桥与大跨径斜拉桥更是发展迅速。但是随着桥梁所处的空间、施工条件以及经济造价的限制,这些大跨径桥型越来越受到限制;桥型多样化,空间结构桥梁增多是桥梁发展的趋势所在。新工艺、新材料和高性能计算机的出现,使得与桥梁设计相关理论在近叁十年得以迅速发展、完善。概念设计方面:经过解析与数值分析理论的发展,明确了典型结构体系的力学特性,涌现了各种样式悬索桥、斜拉桥,协作体系桥梁。自锚式、地锚式悬索桥以其优美的线型、新颖的外观以及选址灵活等特点受到大家喜欢。地锚式悬索桥虽然是大跨径甚至超大跨径桥梁的首选,但是它那硕大的锚碇受到施工以及经济的制约越来越让人们伤透脑筋。自锚式悬索桥而越来越受到青睐,一大批大跨度自锚式悬索桥也就应运而生。但是受到材料以及力学体系的限制跨径也受到很大制约,只能在中小跨径徘徊。斜拉桥的跨径也作的越来越大,已经超过千米的斜拉桥世界上也有好几座,发展势头也锐增。斜拉桥的刚度以及挺拔的力度也受到人们的青睐,在中小跨径以及大跨径桥梁,跨江、跨海等地理位置复杂的地形、还有风速以及地震恶劣环境条件下的地形都能看到斜拉桥挺拔的身影。但是斜拉桥随着跨径的增加,随着力学体系要求,斜拉桥的塔高越来也越高,千米级斜拉桥的塔高达到350多米甚至400米,这么高的普通建筑都受到力学和环境的挑战,何况还受到静力以及动力不断施加的桥梁,施工难度以及监控相当复杂。况且还有地形以及航空管制等外界事物的必然限制。综合以上很多因素的考虑,基于大连湾跨海大桥的实例,大连理工大学课题组提出了自锚式斜拉.悬索协作体系桥梁来解决相应的问题,还受到交通部西部交通建设科技项目“斜拉-悬索协作体系桥梁的研究”开发课题的资金资助。西部交通建设科技项目基金(2006 318 823 50)。自锚式斜拉—悬吊协作体系桥作为一种新型的桥梁结构形式,具备了传统的斜拉—悬吊协作体系桥的诸多优点,而且由于庞大锚碇的取消,更好的适应了深海软土地基的建设,在不良地质环境条件下具有强劲的竞争力,目前已被工程界所采纳。但从已有的文献看,对这种桥型静、动力性能的研究颇为少见。为了确保自锚式斜拉-悬索桥施工和成桥运营期间的安全,使得自锚式斜拉-悬索桥结构的设计更加经济合理,本文以拟建的大连湾跨海大桥以及金州湾跨海大桥为工程背景,基于几何非线性有限元理论、图论优化理论,对大跨度自锚式悬索桥整体稳定与极限承载力、结构动力特性、地震响应分析、抗震减震、颤振稳定、抗震可靠度、结构系统可靠度等几个方面开展了大跨度自锚式斜拉-悬索桥分析方法与性能方面的研究。本文的研究工作和取得的主要成果有:1.结合设计基本资料及设计技术要求,提出了大连湾跨海大桥桥型方案的设计构思,并对大桥自锚式斜拉-悬索桥的结构体系进行了创新性设计。2.本文将图论应用于薄壁杆件结构计算,建立了薄壁剖面的图模型,利用关联矩阵和基本回路矩阵简洁而又准确地描述了薄壁剖面的拓扑关系。利用图论导出的计算扇性坐标、Bredt剪流、二次剪流和弯曲剪流的矩阵方程式。对任意复杂的薄壁剖面,只要建立了图模型,得到关联矩阵和基本回路矩阵,就可利用以上各矩阵方程式方便地用电子计算机求解,从而避免了在具体计算过程中判断剖面的拓扑关系而引起的困难。用图论作工具,研究了薄壁杆件在自由扭转时剖面极限扭矩的计算方法。3.分析研究了悬索桥、斜拉桥、自锚式斜拉悬索桥的相关理论。本文选择大型通用有限元程序ANSYS作为结构分析软件,在求解过程中计入上述各种非线性因素的影响,以大连湾跨海大桥大连港主通航孔为工程背景,建立平面杆系计算模型。把自己分析的梁柱效应理论、虚位移原理应用于自锚式斜拉悬索桥力学分析当中,结合ANSYS有限元软件,更好分析此桥产生的非线性力学效应。4.基于有限元理论,考虑多种非线性因素,建立有限元模型,对大连湾跨海大桥大连港主通航孔推荐方案主跨800m的自锚式斜拉—悬索协作体系桥的静力行为进行了详尽分析,包括刚度特性、内力、吊索疲劳问题、交接区的变形。5.自锚式斜拉—悬吊协作体系桥的动力特性主要包括体系的自振频率和主振型,它是该体系桥进行动力响应分析的前提和基础。通过建立空间有限元计算模型,对采用自锚式斜拉—悬吊协作体系的大连港跨海大桥的动力特性进行了分析,并与相同跨径和结构参数的地锚式斜拉—悬吊协作体系桥进行了对比研究,总结了自锚式斜拉—悬吊协作体系桥动力特性的新特点并揭示了其原因。6.分别用反应谱方法和时程分析方法对大连港海湾大桥拟定的结构体系进行了抗震分析。根据抗震分析结果,选定了结构体系,采用了摩擦支座减震技术,并对粘滞阻尼技术进行了探讨。本文将精确高效的虚拟激励法引入到自锚式斜拉—悬吊协作体系桥的地震响应分析中,对此桥在随机地震荷载作用下的地震响应进行了系统地研究,重点考察了叁种影响地震体系波作用下,考虑了多点激励和地震动的空间变化效应以及阻尼的变化对该新型体系内力和位移峰值的影响。以大连湾跨海大桥为例,基于由规范反应谱生成的当量功率谱密度函数,对比分析了多点一致激励和非一致激励下其地震响应的特点和规律,所得结论为该新型协作体系桥的抗震设计提供了有价值的参考。鉴于阻尼作为结构动力特性及动力反应中的一个重要参数,本章研究了阻尼器地选择,作者主要言裾持妥枘崞?介绍了粘滞阻尼器地原理及其应用方法,研究了阻尼比的变化对结构地震反应的影响。为该新型体系桥梁的进一步设计提供了有价值的参考。7.针对大跨度自锚式斜拉-悬索桥可能存在的风致振动,对大连港海湾大桥进行了颤振稳定分析。本文简要介绍了桥梁静力风效应与桥梁风致振动的基本理论,以大连湾跨海大桥为工程背景,通过理论分析对大跨度自锚式悬索桥的抗风性能进行了研究。主要研究①运用多模态颤振有限元分析方法,分别从悬索的矢跨比、吊跨比、斜拉索索面布置形式、边跨辅助墩的设置以及桥面主梁构成等设计参数着手,对主跨800m的一座自锚式斜拉-悬吊协作体系桥进行了颤振稳定性分析,指出了影响自锚斜拉-悬吊协作体系桥颤振稳定性的关键设计参数,并从抗风性能角度探讨了自锚斜拉-悬吊协作体系桥的合理结构形式。②由变形引起的结构动力特性以及空气力的非线性变化效应将会对大跨径自锚式-斜拉悬索桥的颤振产生不容忽视的影响。基于结构的变形后状态,充分考虑结构变形引起的非线性效应,建立了大跨径桥梁颤振分析的叁维非线性方法及其计算程序。结合大连湾跨海大桥设计的自锚式斜拉-悬索桥进行了颤振分析和研究,并揭示了结构变形产生的非线性效应对大跨径自锚式斜拉悬吊桥颤振影响的程度和机理。8.本文以大连湾跨海大桥作为研究对象,引入虚拟激励法,对自锚式斜拉悬索桥的抗震动力可靠度进行了计算分析。分别计算了考虑均匀地面激励、空间效应及任意相干效应的情况,在多点非一致激励下的桥梁下部结构的墩、塔各控制截面的抗震动力可靠度,得到了一些有价值的结论。9.本文总结了结构系统可靠度分析的方法及失效模式。对大连湾自锚式斜拉悬索协作桥在承载能力极限状态下的系统可靠度进行了评估。采用全局β约界法识别结构系统的主要失效模式,并应用微分等价递归算法得到系统各失效模式的等价安全裕量方程。最后,通过Ditlevsen界限理论,确定了结构系统失效概率的上、下限。
陈兵[10]2008年在《桥梁抗震分析的随机理论及应用研究》文中认为大跨度桥梁作为重要的公共设施,其安全性格外重要。如何在设计和建造阶段就使它们具有足够的抗震能力以及合理的安全度,一直是国内外学术界和工程界关注的重要课题。几十年来,桥梁的抗震研究取得了很大成果,但由于抗震问题的多样性和复杂性,尚有许多问题需要进一步研究。其中,结构动力学的随机理论在桥梁抗震中的应用就是近年来桥梁工程中研究的热点问题。论文就这一问题进行了研究,主要内容有:(1)修正了《与规范反应谱相对应的金井清谱的谱参数》一文中求解绝对加速度反应方差积分的解析表达式中公式(13)的缺点,推导了地震激励为白噪声时,绝对加速度反应标准差σ_0(ω_c,ξ)的解析表达式。(2)在桥梁抗震分析中,运用质量弹簧阻尼模型来模拟桩-土-结构的动力相互作用,分析了考虑桩-土作用与否对桥梁地震响应的影响。(3)基于随机振动理论及反应谱方法,研究了大跨度桥梁的行波效应、相干效应及局部场地效应影响,并与规范反应谱方法计算结果进行了分析比较。结果表明:不计地震动空间变化时,随机振动分析与反应谱方法本质上是一致的;行波效应和相干损失对连续刚构内力有一定影响,多数情况下,随机振动计算结果要大于反应谱分析结果;局部场地效应对结构响应的影响相当大,对于基础地质条件差异较大的桥梁,分析时应当考虑局部场地效应。(4)结构参数和地震激励的随机性是桥梁抗震分析中较为重要的问题。在随机有限元中引入虚拟激励法,推导了有随机参数的结构在平稳随机地面加速度作用下的随机有限元递推方程。按局部平均理论和空间杆系分离随机场模型来离散、建立有限元模型,并利用矩阵正交化技术,减少计算量。然后求解随机有限元零阶、一阶和二阶递推方程组,即可求出具有二阶精度的均值和具有一阶精度的方差的结构响应。运用程序开发工具C++Builder编制了相应的计算程序,并用Monte Carlo检验了程序的有效性和正确性,最后,计算了具有随机参数的高墩大跨连续刚构桥梁和新式钢箱提篮拱桥在随机地震激励下的动力响应。(5)根据交变荷载作用下弹塑性有限元的基本理论,运用增量初应力方法,采用Jhansale模型描述材料的瞬态应力应变关系,推导了随机交变荷载作用下的弹塑性有限元迭代列式。依据随机疲劳寿命分析的基本原理,运用局部应力-应变法和疲劳累积损伤的Palmgren-Miner理论,结合随机加载下的弹塑性有限元方法,提出了一种估算桥梁构件在交变的地震荷载作用下随机疲劳寿命的估算方法,研究了大跨度钢拱桥有孔洞或截面受削弱的构件在地震激励下的低周疲劳寿命。(6)考虑结构参数随机性的动力可靠度是桥梁抗震研究中的重要问题。基于随机分析的响应面理论和规范反应谱方法,提出了一种分析具有随机结构参数桥梁抗震可靠度的方法。通过拟合的多项式函数来近似替代表示结构随机输入与输出变量之间作用关系的功能函数,按照结构的破坏准则及其极限状态方程,进行可靠度分析。运用该方法研究了高墩大跨连续刚构桥在地震激励下设计基准期内的动力可靠度,分析时考虑了结构参数和场地土的随机性,分别计算了连续刚构在多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的失效概率,得到了结构在设计基准期内,“叁水准设防标准”条件下的地震可靠度。结果表明,该桥设计满足抗震规范要求。
参考文献：
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[6]. 独柱式城市高架桥抗震分析与设计方法研究[D]. 罗晓峰. 浙江大学. 2015
[7]. 钢框架弹塑性地震反应及动力可靠性研究[D]. 禹慧. 长沙理工大学. 2003
[8]. 基于非平稳地震模型的框架结构随机响应及可靠度分析[D]. 黄举. 西安建筑科技大学. 2018
[9]. 大跨度自锚式斜拉悬索桥分析方法与性能研究[D]. 韩立中. 大连理工大学. 2009
[10]. 桥梁抗震分析的随机理论及应用研究[D]. 陈兵. 西南交通大学. 2008
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