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地震动时变相干性及网壳结构地震空间效应机理研究

乔达  
【摘要】:网壳结构是最常用的大跨空间结构形式,以其多样的形态和良好的受力性能等特点被广泛地应用于体育场馆、交通枢纽以及会展中心等大型公共建筑中。网壳结构在服役期间往往人流密集,并且在地震灾害后通常作为临时的难民安置场所、救灾指挥场所供有关人员使用,因此,一旦在地震中结构发生破坏将会造成巨大的损失,保障其在地震中的安全性尤为重要。网壳结构的跨度能够达到数百米,在地震中支座位置接收到的地震信号有较大的时空差异,前期的研究已经表明在计算地震响应时采用传统的一致输入已经不能满足要求,采用多点输入的方式更为准确,准确掌握网壳结构在更为复杂的多点输入下的响应机理也具有重要的意义。地震动在传播过程中由于距离和场地条件产生了空间变化性,对于建筑结构主要表现为行波效应和相干效应。与此同时地震动还具有时间变化性,根据已有的地震动观测数据,地震动频谱的时变特征相当明显。因此,通常认为地震动的频谱不随时间变化的平稳假定并不符合实际情况,在多点输入分析中考虑地震动的时间及空间变化性十分必要。根据实际地震台阵数据获得地震动的非平稳特性、建立考虑时变地震空间变化性的多点地震动模拟方法也具有很高的应用价值。基于以上大跨空间结构多点输入抗震的关键理论问题,本文以网壳结构和非平稳地震动为研究对象,开展的主要研究内容如下:(1)开展地震动频谱时变性研究,引入GMW小波并通过连续小波变换分析了地震动频谱和地震动场相干时变性;将小波相干性应用于地震动场分析,研究了地震动场中相干性随地震动强度变化的规律。以LSST和SMART-1台阵的数据为基础,统计了小波相干性随距离变化的趋势,并分析了小波相干性的方向性。结果表明,地震动场相干性的时变性是客观存在的,随着测站间距离的增大,地震动相干性的时变特征越来越明显,当距离达到千米级,这种时变特征又开始减小。(2)根据已有的实际地震记录的小波谱和相位统计特征,提出了基于连续小波变换模拟非平稳地震动的方法,对比了生成的地震动与原始地震记录的频谱以及强度的匹配程度,并考虑了延性谱的差异情况。在该方法的基础上,通过生成的目标小波相干性,提出了考虑相干时变性多点地震动合成方法,通过对比生成的多点地震动与原始地震记录的小波相干性,验证了该方法的正确性。(3)揭示了多点输入中相位差对网壳结构的影响机理。首先通过对单自由度简化模型在带有相位差的简谐荷载作用下的动力响应进行推导求解,分析了拟静力响应和结构动力响应的联系,提出了以能量为参考的分析多点输入影响结构响应的方法。然后对三种不同的网壳结构分别进行了简谐荷载作用下的时程分析,考虑非线性的影响,采用地震波速表示相位的差异,统计了地震波速(相位差)对网壳结构动力响应的影响规律,获得了地震波速、简谐激励频率以及结构响应之间的联系,从而揭示了多点输入影响网壳结构响应的机理。结果表明,激励的频率较低时,拟静力响应对结构产生了较大的影响,而高频的激励能够引起拟静力响应和结构振动的耦合作用。(4)生成了多组考虑时变相干性的多点地震动和基于平稳假定的多点地震动,对比了考虑两种多点地震动的多点输入下网壳结构的响应,确认了时变相干性在结构响应分析中的重要性。对三种不同跨度的单层球面网壳结构在多点输入下的响应进行分析,考虑不同下部支承结构刚度的影响,对比了带有不同刚度下部支承的网壳结构在多点输入下的极限荷载和破坏情况。通过分析各部分杆件受力的变化情况和下部支承结构对地震动空间变化性的“调和”作用,研究了下部支承结构影响网壳结构地震空间效应的机理。分析了多点输入下800m跨度超大跨空间结构的地震响应,并研究了下部桩基础对结构地震空间效应的影响。分析结果表明,地震动相干性的时变特征对网壳结构有较大的影响,并且下部支承结构(包括桩基础)能够改变激励的差异和频谱分布,进而影响网壳结构的地震空间效应。


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