大跨度结构多维多点地震响应试验研究与理论分析

论文摘要

为了满足人民对建筑结构各种功能的需求,诸如体育馆屋盖、桥梁这些大跨度结构在当今社会工程中占有重要的组成部分,而且跨度和规模也日益增加。地震是危害人类社会的一大自然灾害,常会造成巨大的生命财产损失。地震中,如果桥梁结构发生破坏,不仅会带来了巨大的直接经济损失,也将严重影响灾害应急、震后救灾和恢复生产等工作。随着大跨度结构工程量地急剧增加,关于这类地震响应特征的研究则呼之而出。相对于一致激励与单向地震波激励,多点多维激励是更符合大跨度结构实际情况的地震动输入方式。目前,国内外对多点激励下大跨桥梁的抗震研究主要局限于理论和数值模拟方面;由于设备的限制,大跨度结构多维多点的振动台试验基本上一直处于“荒芜”的状况。多点激励方面,对实际工程千岛湖大桥进行行波地震响应数值模拟,同时对千岛湖大桥考虑行波效应的随机地震响应进行分析,并对多点激励下的某座大跨度拱桥缩尺模型进行了振动台试验研究,同时利用有限元软件对其进行了多点激励地震反应分析。多维地震动方面,本文着重对国家体育馆屋盖进行了大比例振动台试验,通过分别施加竖向、水平地震作用,以及同时进行竖向和水平地震动的两向地震激励,并对国家体育馆屋盖数值模型进行三维地震响应计算分析,来探索在不同地震波、不同边界约束条件下,其地震响应特征。通过以上研究,主要取得以下几点成果:1.建立了千岛湖大跨度钢管混凝土拱桥有限元分析模型,分析了行波效应的影响和随机响应,得出了视波速在一定范围内会增大地震响应的结论;2.对大跨度拱桥模型进行多点激励振动台试验和有限元数值分析,在正弦波激励下得到了横桥向动力响应以及行波和幅值空间变化的影响,分析结果与试验吻合较好;3.对国家体育馆屋盖双向张弦梁结构1:10模型进行了竖向、水平、竖向-水平两向地震输入下的模拟地震振动台试验（规模之大国内外罕见）和有限元数值分析,获得了结构的响应及其特点。4.通过模拟地震振动台试验和有限元数值分析,获得了滑动支座、铰支座和固定支座条件对结构动力响应的影响特征和规律,可应用于同类工程的抗震分析与设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构多维多点地震反应研究现状
• 1.2.1 结构多维多点地震反应分析方法
• 1.2.2 大跨屋盖结构抗震性能的国内外研究现状
• 1.2.3 大跨桥梁结构抗震性能的国内外研究现状
• 1.3 本文主要研究内容和工作
• 第2章 行波激励下千岛湖大桥地震响应分析
• 2.1 多点激励下大跨桥梁的运动方程
• 2.2 千岛湖大桥工程背景及计算模型介绍
• 2.2.1 工程背景
• 2.2.2 数值分析模型
• 2.2.3 千岛湖大桥的动力特性
• 2.2.4 位移输入模型和加速度输入模型的比较
• 2.3 行波激励对千岛湖大桥地震响应的影响
• 2.3.1 迁安波、Northridge波和San Francisco波（一类场地）
• 2.3.2 Taft波、Kobe波和Lancan波（二类场地）
• 2.3.3 EL-Centro波（三类场地）
• 2.3.4 天津波（四类场地）
• 2.3.5 结论
• 2.4 随机地震动输入对千岛湖大桥地震响应的影响
• 2.4.1 随机地震动模型的选取
• 2.4.2 千岛湖大桥随机地震动响应分析
• 2.4.3 结论
• 2.5 本章小结
• 第3章 拱桥多点激励振动台模型试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 工程背景
• 3.3 试验设计
• 3.3.1 结构动力试验的相似关系
• 3.3.2 拱桥模型设计
• 3.3.3 拱桥模型的相似律
• 3.3.4 试验方法与模型的测点布置
• 3.4 试验结果分析
• 3.4.1 一致激励下结构的响应
• 3.4.2 行波激励下结构的响应
• 3.4.3 多点激励衰减效应影响
• 3.5 数值计算分析
• 3.5.1 拱桥有限元模型
• 3.5.2 拱桥模态分析
• 3.5.3 数值计算与试验结果进行对比
• 3.6 本章小结
• 第4章 国家体育馆屋盖动力特性试验
• 4.1 张弦梁结构
• 4.1.1 张弦梁结构定义
• 4.1.2 张弦梁结构的分类
• 4.1.3 张弦梁结构的工程应用与研究发展
• 4.2 工程背景
• 4.3 动力特性试验概况
• 4.3.1 屋盖模型以及模型的相似律
• 4.3.2 支座设计
• 4.3.3 配重布置
• 4.3.4 测点布置
• 4.3.5 动力特性试验步骤和要点
• 4.4 动力特性试验结果分析
• 4.4.1 第一模态（0.167s）
• 4.4.2 第二模态（0.139s）
• 4.4.3 第六模态（0.076s）
• 4.5 数值计算
• 4.5.1 索元的单元刚度方程
• 4.5.2 张弦梁结构的动力特性
• 4.5.3 数值模型分析
• 4.5.4 国家体育馆屋盖动力特性深化分析
• 4.6 本章小节
• 第5章 国家体育馆屋盖竖向地震响应特征
• 5.1 引言
• 5.2 地震振动台试验概况
• 5.2.1 试验模型
• 5.2.2 试验工况
• 5.3 竖向地震响应结果分析
• 5.3.1 TAFT 波
• 5.3.2 EL Centro 波
• 5.3.3 天津波
• 5.3.4 人工波
• 5.4 本章小结
• 第6章 国家体育馆屋盖水平地震响应特征
• 6.1 引言
• 6.2 水平地震响应结果分析
• 6.2.1 TAFT 波
• 6.2.2 EL Centro 波
• 6.2.3 天津波
• 6.2.4 人工波
• 6.3 本章小结
• 第7章 国家体育馆屋盖多维地震响应特征
• 7.1 引言
• 7.2 试验结果与数值结果对比分析
• 7.2.1 加速度响应
• 7.2.2 应变响应
• 7.3 国家体育馆多维地震响应特征
• 7.3.1 TAFT波
• 7.3.2 EL Centro波
• 7.3.3 天津波
• 7.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢