鋼管拱橋近斷層地震響應(yīng)及動(dòng)力穩(wěn)定研究.pdf

1、當(dāng)前全球地震活動(dòng)明顯進(jìn)入多發(fā)期，更加需要深化有關(guān)抗震基本理論的研究。地震動(dòng)是強(qiáng)非平穩(wěn)過(guò)程，鋼管混凝土拱橋受輸入地震頻譜特性的影響，非線性響應(yīng)結(jié)果差別巨大。同時(shí)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)問(wèn)題也要從地震響應(yīng)角度出發(fā)進(jìn)行研究，所以地震頻譜特性的差異也會(huì)對(duì)動(dòng)力穩(wěn)定分析產(chǎn)生不容忽視的影響。而關(guān)于地震頻譜特性對(duì)結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)的影響研究是當(dāng)前結(jié)構(gòu)抗震分析中的前沿課題，需要涉及數(shù)字信號(hào)處理及非線性動(dòng)力學(xué)的多學(xué)科知識(shí)，目前難以使用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)解析模型來(lái)描述地震的非平穩(wěn)

2、性。盡管地震頻譜特性對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)影響復(fù)雜，但還是可以通過(guò)地震時(shí)變譜估計(jì)大致建立起地震能量的時(shí)頻分布特征與結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)之間的聯(lián)系。
　　論文以有關(guān)地震頻譜特性的研究作為主線，同時(shí)也關(guān)注了包括材料非線性、幾何非線性、初始幾何缺陷等因素對(duì)鋼管混凝土拱橋的地震響應(yīng)及動(dòng)力穩(wěn)定的影響問(wèn)題。由于近斷層地震(近場(chǎng)地震)更易對(duì)長(zhǎng)周期大跨橋梁結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，因此論文不但對(duì)近斷層地震的頻譜特性及其反應(yīng)特點(diǎn)加以總結(jié)，還通過(guò)小波分析數(shù)值方法建立了能夠反映

3、近斷層地震作用大小的指標(biāo)，并就近斷層地震作用下的動(dòng)力穩(wěn)定問(wèn)題展開(kāi)深入討論，研究了鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力失穩(wěn)形態(tài)特點(diǎn)。論文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究：
　　(1)介紹了現(xiàn)代非平穩(wěn)信號(hào)時(shí).頻分析技術(shù)及各種時(shí)變譜估計(jì)方法，發(fā)現(xiàn)在它們?cè)谝欢ǔ潭壬暇擅枋龅卣鹦盘?hào)的非平穩(wěn)特性。由于改進(jìn)L-P小波具有快速算法，并且計(jì)算數(shù)據(jù)量小，所得到的局部譜密度具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。提出利用改進(jìn)L-P小波變換的二進(jìn)正交特性對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行快速時(shí)-能密度分析，能

4、夠準(zhǔn)確描述地震信號(hào)能量沿時(shí)域的分布特征。
　　(2)以主跨132米的下承式鋼管混凝土拱梁組合橋?yàn)閷?shí)例建立了有限元模型并進(jìn)行相應(yīng)的非線性地震響應(yīng)分析，考慮了初應(yīng)力效應(yīng)對(duì)模態(tài)分析的影響。研究發(fā)現(xiàn)，從整體上說(shuō)結(jié)構(gòu)的幾何非線性效應(yīng)不明顯，更主要的是材料非線性的影響。隨輸入地震作用的增強(qiáng)，材料塑性的發(fā)展會(huì)改變內(nèi)力的分布規(guī)律，并有利于結(jié)構(gòu)受力。在研究地震非平穩(wěn)性影響時(shí)，通過(guò)小波變換對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行分解與重構(gòu)，闡明了反應(yīng)譜無(wú)法充分表達(dá)地震頻譜特性

5、與結(jié)構(gòu)反應(yīng)之間的聯(lián)系，而小波方法在確定地震信號(hào)時(shí)頻分布特征及其頻率成分對(duì)結(jié)構(gòu)作用方面的優(yōu)勢(shì)明顯。
　　(3)就發(fā)生在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的集集地震(CHI-CHI，09/20/99)展開(kāi)了各類場(chǎng)地近斷層地震頻譜特性研究。結(jié)果表明，隨著近斷層地震效應(yīng)的增強(qiáng)，更易產(chǎn)生持續(xù)密集的低頻能量脈沖，加速度反應(yīng)譜峰值可能出現(xiàn)在中長(zhǎng)周期段。結(jié)合近斷層地震低頻脈沖效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)周期鋼管混凝土拱橋的作用特點(diǎn)，提出可以通過(guò)二進(jìn)離散小波分解方法將地震加速度信號(hào)進(jìn)行頻域

6、分解并得到了能夠描述結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)的地震作用指標(biāo)WAPA(Weighted Average Peak Acceleration)，體現(xiàn)了基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想。
　　(4)論文使用了IDA(Incremental Dynamic Analysis)動(dòng)態(tài)增量分析方法并結(jié)合B-R(Budiansky-Roth)系統(tǒng)響應(yīng)準(zhǔn)則來(lái)確定鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力失穩(wěn)臨界荷載。發(fā)現(xiàn)材料非線性的影響對(duì)動(dòng)力失穩(wěn)占主導(dǎo)作用，單純考慮幾何非線性的影響對(duì)動(dòng)