大跨度斜拉桥随机地震响应分析及其动力可靠度研究

论文摘要

斜拉桥的主跨正在经历由几百米到近千米以及到21世纪的超千米的发展,如日本多多罗大桥（主跨890m）、香港昂船洲大桥（主跨1018m）、苏通长江公路大桥（主跨1088m）。斜拉桥跨度的不断增大,必然带来很多复杂的问题。地震荷载作为超大跨径结构的主要荷载,是结构设计的控制因素。跨径的增大,其地震动力学问题也变得复杂,而同时无规范可循。因此,地震分析就显得尤为重要。地震动的三要素（持时、强度和频谱）具有明显的随机性,因此,把随机振动理论应用到斜拉桥地震反应分析的合理性是显而易见的。而随机振动分析具有如下的优点:（1）随机振动反应得出的是响应的均值,包含大量时程曲线的统计信息,比单一的时程曲线计算的结果更具有代表性和普遍性;（2）求出的最大值的均值较为直观,而不像时程分析那样繁琐;（3）随机振动分析输入的是功率谱,是从能量的角度分析问题。因此,在地震工程学研究领域,随机振动分析方法一定会得到广泛的应用。地震动本质上的不规律性决定了由确定性模型过渡到将地震动作为随机过程处理。基于随机振动理论为基础,以苏通长江公路大桥为工程背景,对超大跨度斜拉桥在随机地震荷载作用下的动力响应展开研究,主要研究内容如下:1.随机地震反应分析首先考虑的是地震动的输入问题。第二章介绍了地震动模型的几种表达式,并结合有关学者的研究成果计算所需要的有关参数,然后以此参数作为随机地震动输入为后续随机地震反应分析提供依据。2.在结构动力学原理的基础上,第三章利用推导得到的地震动作用下的结构运动方程,并基于随机振动理论推导出了地震动作用下结构随机响应的计算公式。利用该公式,求得大跨度斜拉桥结构随机地震动作用的动力响应的统计量。3.在目前常用的地震动随机模型的基础上,第四章选用杜修力提出的改进Kanai-Tajimi功率谱模型描述地震动输入,采用随机振动分析方法研究结构在一致激励和地震动空间变化下的动力响应,包括局部场地效应、部分相干效应和行波效应。研究结果表明:相干效应对主梁纵向弯矩影响比较大,尤其是中跨部位;而局部场地效应相对影响较小。对于主梁轴力而言,行波效应影响较为显著,主梁轴力的最大值增大约70%之多,但对竖向剪力并无突出影响。与一致激励比较,行波效应使得跨中竖向位移均方根增大约74%,相干效应为60%,而局部场地效应为13%。对于不同的内力和位移响应,地震动空间变化特性的影响程度和规律不尽相同,必须区别对待,具体问题具体分析。4.详细分析了结构弹性模量、桩-土-结构动力相互作用、地震动模型、斜拉索振动效应及模态数量对苏通大桥地震动力响应的影响规律,为大跨度桥梁的抗震设计和分析提供参考。5.以可靠性理论为基础的概率设计方法,是桥梁结构设计发展的必然趋势。第六章以随机振动理论为基础,采用概率分析方法研究了大跨度斜拉桥的地震动力可靠度,为大跨度斜拉桥抗震设计方法研究提供了一定的理论参考。最后,对本文的研究工作进行了总结,给出了研究中的一些结论,并指出了在进一步研究中亟待解决的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 大跨度桥梁地震输入问题研究现状
• 1.3 大跨度斜拉桥梁地震反应分析研究现状
• 1.4 桥梁结构动力可靠度问题及研究现状
• 1.5 斜拉桥地震反应随机振动分析的必要性
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 地震动随机过程模型研究
• 2.1 随机地震动地面加速度功率谱密度函数模型
• 2.1.1 地面加速度功率谱密度函数模型
• 2.1.2 地震地面运动空间变化效应
• 2.2 平稳随机过程地震动模型的参数确定
• 2.3 强度非平稳随机过程地震动模型及参数确定
• 2.4 强度和频率双重非平稳的随机过程模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 大跨度桥梁地震响应的随机振动方法
• 3.1 一致激励结构随机地震反应分析方法
• 3.1.1 随机振动的传统方法
• 3.1.2 随机振动的虚拟激励法
• 3.2 多点激励大跨度桥梁地震反应分析方法
• 3.3 随机振动的功率谱方法
• 3.3.1 非一致激励运动方程的建立
• 3.3.2 基于振型叠加法的随机地震反应分析
• 3.3.3 响应功率谱密度和均方响应的计算
• 3.4 随机地震反应结果在桥梁工程上的应用
• 3.4.1 平稳随机反应最大值的概率性分析
• 3.4.2 非平稳随机反应最大值的概率性分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 大跨度斜拉桥随机振动分析
• 4.1 工程概况
• 4.2 自振特性分析
• 4.3 随机地震响应分析
• 4.3.1 纵向激励作用下的响应特性
• 4.3.2 横向激励作用下的响应特性
• 4.3.3 纵向+横向激励作用下的响应特性
• 4.3.4 纵向+竖向激励作用下的响应特性
• 4.3.5 纵向+横向+竖向激励作用下的响应特性
• 4.4 非一致激励下空间特性的影响分析
• 4.4.1 局部场地效应的影响分析
• 4.4.2 空间相干效应的影响分析
• 4.4.3 行波效应的影响分析
• 4.4.4 三者之间比较分析
• 4.5 不同跨度斜拉桥地震响应比较
• 4.6 本章小结
• 第5章 大跨度斜拉桥随机地震响应主要参数分析
• 5.1 结构弹性模量对结构响应的影响
• 5.2 桩-土-结构动力相互作用对结构响应的影响
• 5.2.1 桩-土-结构动力相互作用计算方法
• 5.2.2 苏通大桥桩基基础构造及有限元计算模型
• 5.2.3 随机地震响应分析结果
• 5.3 地震动模型对结构响应的影响
• 5.4 斜拉索振动对结构响应的影响
• 5.5 模态数量对结果响应的影响
• 5.6 本章小节
• 第6章 大跨度斜拉桥动力可靠度研究
• 6.1 结构破坏准则和破坏机制
• 6.1.1 结构破坏准则
• 6.1.2 结构破坏机制
• 6.2 基于首次超越破坏准则的动力可靠性分析
• 6.3 基于 JC法的动力可靠性分析
• 6.4 本章小节
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及参加的科研工作