桥梁抗震性能评价的静力非线性分析方法研究

论文摘要

随着人类对桥梁震害的认识逐渐深入和计算机技术的不断发展,对桥梁的分析和计算已经由线性分析向非线性分析方向发展。非线性时程分析方法被认为是桥梁结构弹塑性分析的最准确的方法,但是由于其技术复杂、计算工作量大、结果处理繁杂,而且结果的准确性很大程度上依赖于输入的地面运动情况,因此在实际工程中并没有得到广泛的应用。而Pushover分析方法概念简单,计算简便,并能有效地评估结构的抗震性能,近年来逐渐被应用到桥梁结构的抗震性能评估中。但是由于传统的Pushover方法皆基于固定的侧向荷载分布模式,不能考虑高阶振型的影响以及结构屈服后振动特性的改变,因此只适用于桥墩高度较低的梁式桥,不能对高阶振型影响显著的高架桥和斜拉桥进行抗震性能评价。为了克服这些局限性,本文提出了几种改进方法,并提出了适用于斜拉桥的Pushover分析方法,主要研究内容如下:1.在动力学理论的基础上,借鉴MPA法中对各阶振型完全解耦的思想,对ASPA法进行简化,提出了改进的适应谱Pushover方法(简称IASPA法)。并对典型地震动下改进的适应谱Pushover法、传统的Pushover分析方法、MPA法以及非线性时程分析方法进行对比研究。结果表明,由于改进的适应谱Pushover方法直接利用反应谱来定义加载特性,且考虑了高阶振型的影响以及结构屈服后振动特性的改变,因此比传统的Pushover方法和MPA法具有更高的精度;并且,由于改进的适应谱Pushover方法忽略了结构屈服后各振型之间的耦合作用,所以较ASPA法计算更加简便,更适用于工程实际。2.利用改进的适应谱Pushover方法,对三个不同高度的桥墩进行推覆分析,考查高阶振型的影响,并将计算所得到的结果与非线性时程分析的结果进行对比。结果表明,对于中低高度的桥墩,高阶振型的影响较小,可以将桥墩简化成单自由度体系,利用传统的Pushover方法进行静力弹塑性分析。但是随着桥墩高度的增加,高阶振型对桥墩抗震性能的影响越来越显著,对于高度超过40m的高墩,忽略桥墩自身的惯性力以及高阶振型的贡献将会导致较大的误差。3.传统的基于力的Pushover分析方法,侧向荷载分布模式的选取将直接影响到Pushover分析方法对结构整体抗震性能的评估结果,震害、实验和理论分析都表明,变形能力不足和耗能能力不足是结构在大震作用下倒塌的主要原因,结构构件在大震作用下的破坏程度与结构的位移响应和构件的变形能力有关,所以用位移控制结构在大震作用下的行为更为合理。本文利用直接基于位移的方法对一个6层框架进行推覆分析,并对结构在推覆过程中的振型参与系数及位移模式的变化进行分析研究,提出了基于位移的适应谱Pushover方法(简称DASPA法)。4.利用DASPA法分别对两个不同高度的梁式桥进行Pushover分析,并将分析结果与非线性时程分析以及传统Pushover方法分析的结果进行比较。结果表明,由于DASPA法直接基于非弹性位移反应谱来定义加载位移模式,且考虑了高阶振型的影响及结构屈服后振动特性的改变,因此在评价结构的抗震性能时有着很高的精度,不仅适用于受基本振型控制的中低高度的桥梁,同时也适用于高阶振型影响显著的高架桥梁;由于DASPA法直接用位移来控制结构的加载模式,其每一步计算得到的结果直接是结构的变形,省略了基于力的Pushover分析方法中将结构的内力转化为变形来评估结构的抗震性能的步骤,并且当结构破坏达到一定程度时采用固定的位移加载模式,因此使得计算过程大为简化。5.斜拉桥为复杂的多自由度结构体系,其在地震中的反应受高阶振型影响显著,等效地震力的分布模式非常复杂,传统的基于力的Pushover方法无法对斜拉桥进行静力弹塑性分析。而DASPA法直接基于位移来定义加载模式,且考虑了高阶振型的影响,因此可以用来对斜拉桥进行弹塑性分析。但是由于斜拉桥桥型的特殊性,使得DASPA法的计算结果依赖于侧向荷载的加载方向,这与实际不符。鉴于此,本文又提出了针对斜拉桥的修正的DASPA法,对斜拉桥屈服后的位移模式进行修正。将DASPA法和修正的DASPA法得到的计算结果分别与非线性时程分析得到的计算结果进行比较,结果表明,修正的DASPA法比DASPA法具有更高的精度,计算结果更接近结构的真实反应值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 桥梁结构的地震破坏形式及震害教训
• 1.2.1 桥梁结构的地震破坏形式
• 1.2.2 桥梁震害教训
• 1.3 桥梁结构抗震设计方法的演变
• 1.3.1 静力法
• 1.3.2 反应谱法
• 1.3.3 动态时程分析方法
• 1.3.4 随机振动分析方法
• 1.3.5 静力弹塑性分析方法
• 1.4 基于性能的抗震设计
• 1.4.1 基于性态的抗震设计理论的提出及研究概况
• 1.4.2 基于性能的抗震设计的理论框架
• 1.5 Pushover分析方法的基本理论和研究概况
• 1.5.1 Pushover分析方法的基本原理
• 1.5.2 目标位移的确定
• 1.5.3 侧向荷载分布模式的选择
• 1.5.4 Pushover分析方法的研究进展
• 1.5.5 Pushsover分析方法尚存在的问题
• 1.6 本文的主要研究内容
• 2 桥梁结构的非线性地震响应分析及Pushover分析原理
• 2.1 引言
• 2.2 桥梁结构非线性有限元模型
• 2.2.1 钢筋混凝土结构材料的本构关系
• 2.2.2 钢筋混凝土结构的弯矩—曲率关系
• 2.2.3 钢筋混凝土结构的非线性计算模型
• 2.2.4 桥墩的塑性铰机制及力学模拟
• 2.2.5 桥梁结构的非线性分析模型的建立
• 2.2.6 滞回曲线计算模型
• 2.3 钢筋混凝土结构非线性地震响应的确定性时程分析
• 2.3.1 结构的地震运动方程
• 2.3.2 地震运动方程的直接积分方法
• 2.3.3 非线性时程分析优缺点
• 2.4 桥梁结构的Pushover分析
• 2.4.1 桥梁结构Pushover分析的基本原理
• 2.4.2 桥墩位移延性系数与塑性铰区域曲率延性的关系
• 2.4.3 桥梁结构的整体延性与构件局部延性的关系
• 2.4.4 基于公路工程规范的非弹性需求谱的建立
• 2.4.5 桥梁结构的破损极限状态
• 2.5 本章小结
• 3 改进的适应谱Pushover方法及其对桥梁抗震性能的评价
• 3.1 引言
• 3.2 改进的适应谱Pushover方法
• 3.2.1 理论基础
• 3.2.2 基本假定
• 3.2.3 目标位移及侧向荷载分布模式
• 3.2.4 改进的适应谱Pushover方法的步骤
• 3.3 与传统Pushover方法的比较
• 3.3.1 两种常用的侧向力分布模式
• 3.3.2 算例选取
• 3.3.3 位移延性系数的确定
• 3.3.4 典型地震动的选取
• 3.3.5 结果分析
• 3.3.6 结论
• 3.4 与MPA法的比较
• 3.4.1 MPA法的计算步骤
• 3.4.2 算例选取
• 3.4.3 输入地震动的选取
• 3.4.4 算例分析
• 3.4.5 结论
• 3.5 高阶振型对桥梁抗震性能的影响
• 3.5.1 算例分析
• 3.5.2 峰值模态响应比较
• 3.5.3 误差比较
• 3.6 本章小结
• 4 基于位移的适应谱Pushover方法及其对梁式桥抗震性能的评价
• 4.1 引言
• 4.2 基于位移的适应谱Pushover方法
• 4.2.1 位移模式及目标位移的确定
• 4.2.2 基于位移的适应谱Pushover方法的基本思路
• 4.2.3 算例选取
• 4.2.4 输入地震动的选取
• 4.2.5 结构的振动特性分析
• 4.2.6 基于位移的适应谱Pushover方法的具体步骤
• 4.3 梁式桥实际算例1
• 4.3.1 算例1设计概述
• 4.3.2 有限元分析模型的建立
• 4.3.3 输入地震动的选取
• 4.3.4 非线性地震响应分析
• 4.3.5 静力弹塑性分析
• 4.3.6 分析结果比较
• 4.4 梁式桥实际算例2
• 4.4.1 算例2设计概述
• 4.4.2 有限元分析模型的建立
• 4.4.3 非线性地震响应分析
• 4.4.4 静力弹塑性分析
• 4.4.5 分析结果比较
• 4.5 不同地震设防烈度下桥梁的抗震性能评价
• 4.6 本章小结
• 5 斜拉桥的非线性地震响应分析与性能评价
• 5.1 引言
• 5.2 斜拉桥的工程概况和计算模型
• 5.2.1 算例设计概述
• 5.2.2 斜拉桥的非线性有限元模型
• 5.2.3 塑性铰的力学模型及参数确定
• 5.3 输入地震动的选取
• 5.4 斜拉桥的非线性地震响应分析
• 5.4.1 阻尼计算
• 5.4.2 非线性地震响应分析
• 5.5 斜拉桥的静力弹塑性分析
• 5.5.1 利用DASPA法对斜拉桥进行性能评价
• 5.5.2 对屈服后位移模式进行的修正的DASPA法
• 5.5.3 分析结果对比
• 5.6 不同地震设防烈度下斜拉桥的抗震性能评价
• 5.7 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文及科研情况
• 致谢