基于随机振动法的斜拉桥地震响应分析

论文摘要

进入二十一世纪以来,地球内部的活动表现得尤为活跃,各种地震灾害给人类的生命和财产带来了巨大的损失,交通工程作为连接各个地区的经济纽带,一旦遭受破坏将直接对人民的各种经济活动与生活带来不可估量的影响。在交通工程中最受关注的便是桥梁,桥梁是跨越山谷、河流的必经要道,遭到震害以后小则影响交通出行,大则切断震区通道,促进了次生灾害的加重。在桥梁的队伍中,斜拉桥以其跨度大,结构形式新颖和视觉效果完美给人们产生了深刻的影响,在交通事业的发展中占据着举足轻重的作用。在我们这个地震多发的国家,如何保证大跨度的斜拉桥在建设、运营期间具备足够的抗震安全性,成为了摆在桥梁设计与研究工作者面前的重大课题。桥梁的抗震理论经历了从静力法、反应谱法、动力时程分析法、随机振动法的演变过程。在大跨度的斜拉桥抗震分析过程中,由于结构的大变形行为、结构所在地的空间变化的不一致性以及地震动输入的随机性,使得桥梁的抗震研究变得复杂和困难。所以在大跨度斜拉桥的抗震研究过程中,需要考虑到诸多因素,综合各种方法的优劣,对结构进行正确的抗震分析。本文以内蒙古一座总跨径长760米的斜拉桥作为研究对象,在总结了前人对桥梁抗震设计理论研究的基础上,探讨了桥梁地震响应分析的理论方法,同时在通用有限元软件ANSYS平台上采用动力时程分析和随机振动理论分析了该桥的动力响应特性,以期作为该桥抗震性能的综合评价与参考,本文主要研究内容包括以下内容：1)详细介绍了桥梁抗震设计的基本理论与方法,包括静力法、反应谱法、动力时程分析法和随机振动分析法,探讨了各种方法的特点与分析过程。2)采用结构分析程序ANSYS,建立了小沙湾黄河特大桥的空间杆系有限元模型,详细的分析了整个建立模型的过程。3)分别在线性和非线性的条件下对斜拉桥空间模型进行了模态分析,获得了该桥模型的自振频率和振型,对比了线性和非线性对结构自振特性的影响,通过获得结构的频率与振型为后续的瞬态动力学分析和谱分析奠定基础。4)介绍了ANSYS进行结构瞬态动力分析的一般步骤,鉴于斜拉桥的柔性特点,考虑结构几何非线性的影响对其进行动力时程分析,直接对结构输入一致激励的地震加速度时程；总结了不同分析类别下地震动输入模式与方法等若干问题；探讨了考虑几何非线性以后结构在受一维、二维和三维地震动激励下,与线性条件下相比其动力响应的影响。5)总结了前人对平稳随机振动所建立的自谱密度函数模型,探讨了各个模型的特点。借鉴了有关学者的有关参数,以此参数作为随机地震动输入为后续随机地震响应分析提供依据。以概率统计理论和振动理论为基础,初步分析了结构在一致激励的平稳随机地震作用下的动力响应统计值。文末,在总结了本文研究内容的基础上,针对文中尚未考虑到的问题进行了说明,以期为后续的研究工作指明方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题提出的背景与意义
• 1.2 研究现状及存在的问题
• 1.2.1 桥梁工程抗震设计存在问题及现状
• 1.2.2 地震动输入现状及存在问题
• 1.2.3 桥梁地震响应分析方法现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 斜拉桥地震响应分析方法
• 2.1 静力法
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 非线性静力法
• 2.2 反应谱法
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 结构动力分析基本理论
• 2.2.3 振型叠加法基本原理
• 2.2.4 反应谱法基本原理
• 2.2.5 反应谱振型组合
• 2.3 动力时程分析法
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 动力时程分析法基本原理
• 2.3.3 线性加速度法基本原理
• 2.3.4 Willson—θ法的基本原理
• 2.4 地震响应时程分析的非一致激励
• 2.5 随机振动法
• 2.6 本章小结
• 第3章 斜拉桥有限元模型建立与动力特性分析
• 3.1 斜拉桥的主要结构形式
• 3.2 本文研究工程背景
• 3.3 斜拉桥的有限元模型建立
• 3.3.1 桥面系的模拟
• 3.3.2 桥塔的模拟
• 3.3.3 斜拉索的模拟
• 3.3.4 约束与边界条件
• 3.4 小沙湾斜拉桥模态分析
• 3.4.1 模态分析概述与方法
• 3.4.2 小沙湾斜拉桥特征值与特征向量
• 3.5 本章小结
• 第4章 小沙湾斜拉桥几何非线性动力时程分析
• 4.1 地震动加速度时程的选取
• 4.2 地震动的输入模式
• 4.3 动力时程分析中的阻尼选取
• 4.4 斜拉桥的几何非线性
• 4.5 一致激励下斜拉桥非线性地震响应分析
• 4.5.1 一维地震动反应分析
• 4.5.2 多维地震动反应分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 小沙湾斜拉桥随机振动分析
• 5.1 随机振动概述
• 5.2 随机振动基本理论
• 5.3 平稳随机地振动模型
• 5.4 平稳随机地震动激励下斜拉桥响应分析
• 5.4.1 平稳随机地震动纵向激励
• 5.4.2 平稳随机地震动横向激励
• 5.4.3 平稳随机地震动竖向激励
• 5.4.4 平稳随机地震动纵向+横向激励
• 5.4.5 平稳随机地震动纵向+竖向激励
• 5.5 本章小结及存在问题
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 攻读硕士学位期间参加的项目