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钢管拱桥近断层地震响应及动力稳定研究

邢帆  
【摘要】:当前全球地震活动明显进入多发期,更加需要深化有关抗震基本理论的研究。地震动是强非平稳过程,钢管混凝土拱桥受输入地震频谱特性的影响,非线性响应结果差别巨大。同时,结构动力失稳问题也要从地震响应角度出发进行研究,所以地震频谱特性的差异也会对动力稳定分析产生不容忽视的影响。而关于地震频谱特性对结构非线性响应的影响研究是当前结构抗震分析中的前沿课题,需要涉及数字信号处理及非线性动力学的多学科知识,目前难以使用准确的数学解析模型来描述地震的非平稳性。尽管地震频谱特性对结构反应影响复杂,但还是可以通过地震时变谱估计大致建立起地震能量的时频分布特征与结构非线性响应之间的联系。 论文以有关地震频谱特性的研究作为主线,同时也关注了包括材料非线性、几何非线性、初始几何缺陷等因素对钢管混凝土拱桥的地震响应及动力稳定的影响问题。由于近断层地震(近场地震)更易对长周期大跨桥梁结构造成严重破坏,因此论文不但对近断层地震的频谱特性及其反应特点加以总结,还通过小波分析数值方法建立了能够反映近断层地震作用大小的指标,并就近断层地震作用下的动力稳定问题展开深入讨论,研究了钢管混凝土拱桥的动力失稳形态特点。论文主要进行了以下几个方面的研究: (1)介绍了现代非平稳信号时-频分析技术及各种时变谱估计方法,发现在它们在一定程度上均可描述地震信号的非平稳特性。由于改进L-P小波具有快速算法,并且计算数据量小,所得到的局部谱密度具有重要工程应用价值。提出利用改进L-P小波变换的二进正交特性对地震信号进行快速时-能密度分析,能够准确描述地震信号能量沿时域的分布特征。 (2)以主跨132米的下承式钢管混凝土拱梁组合桥为实例建立了有限元模型并进行相应的非线性地震响应分析,考虑了初应力效应对模态分析的影响。研究发现,从整体上说结构的几何非线性效应不明显,更主要的是材料非线性的影响。随输入地震作用的增强,材料塑性的发展会改变内力的分布规律,并有利于结构受力。在研究地震非平稳性影响时,通过小波变换对地震信号进行分解与重构,阐明了反应谱无法充分表达地震频谱特性与结构反应之间的联系,而小波方法在确定地震信号时频分布特征及其频率成分对结构作用方面的优势明显。 (3)就发生在我国台湾地区的集集地震(CHI-CHI,09/20/99)展开了各类场地近断层地震频谱特性研究。结果表明,随着近断层地震效应的增强,更易产生持续密集的低频能量脉冲,加速度反应谱峰值可能出现在中长周期段。结合近断层地震低频脉冲效应对长周期钢管混凝土拱桥的作用特点,提出可以通过二进离散小波分解方法将地震加速度信号进行频域分解并得到了能够描述结构非线性反应的地震作用指标WAPA (Weighted Average Peak Acceleration),体现了基于性能的结构抗震设计思想。 (4)论文使用了IDA (Incremental Dynamic Analysis)动态增量分析方法并结合B-R (Budiansky-Roth)系统响应准则来确定钢管混凝土拱桥的动力失稳临界荷载。发现材料非线性的影响对动力失稳占主导作用,单纯考虑几何非线性的影响对动力稳定极限承载力分析仅具有理论意义。而钢管混凝土拱桥对初始几何缺陷的敏感性较低,其影响可不予考虑。在研究了近断层地震作用下的动力稳定问题后,指出脉冲型近震的破坏力巨大,有可能造成非线性极值动力失稳,结构的失稳临界荷载会明显降低。使用指标WAPA作为新的IDA分析强度指标IM (Intensity Measure),可显著改善IDA曲线簇的离散性,利于研究近断层脉冲运动对钢管混凝土拱桥结构所造成的动力失稳破坏特点。


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