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空间变化地震动激励下大跨度结构的反应研究

作　者: 白凤龙
导　师: 李宏男；郝洪
学　校: 大连理工大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 大跨度结构空间变化地震反应输电塔-线体系多点激励非平整场地频响函数局部场地效应相对位移反应拱桁架结构
分类号: TU311.3
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

大跨度结构作为重要的公众设施,世界各国一直都十分重视其抗震性能的研究。大跨度结构在地震发生时其支承点受到的地震动激励均不相同,应深入研究地震动空间变化效应对大跨度结构地震反应的影响。针对目前空间变化地震动场合成技术的不够完善以及大跨度多支承结构多点地震激励反应分析的不够全面,本文在合理模拟空间变化地震动场的基础上,针对几种典型的大跨度结构,包括大跨度桥梁结构、输电塔-线体系和空间钢结构,进行了多点激励下的地震反应分析,分别考查了引起地震动空间变化的行波效应、部分相干效应、局部场地效应及其组合效应对结构反应的影响。本文的研究内容主要包括以下几个方面：(1)人工合成非平整非均匀场地的空间变化地震动时程曲线。在空间变化地震动传统三角级数合成方法的基础上进行了进一步的研究,基于经验相干函数模型和修正金井清功率谱密度函数模型模拟了非平整场地地震动的空间变化,基于波传播理论推导出的频响函数考虑局部场地效应的影响,其中对于非均匀多土层场地情况,地表面的空间地震动由包含面内波和面外波的基岩地震动通过土壤层模拟生成。综合采用三角级数法、波动理论和随机振动法提出了非平整均匀场地和非平整多土层场地的多点地震动合成方法,并人工合成了非平整场地的空间变化地震动时程曲线。利用该方法合成的空间地震动既考虑了地震动的空间相关性和非平稳特性,还考虑了局部场地效应的影响,可以应用于非平整场地上大跨度结构多点激励地震反应的研究。(2)进行了空间变化地震动激励下桥梁相邻结构的最大相对位移反应研究,该位移为避免结构碰撞所必需的模数式伸缩缝最小间距。基于相干函数和我国抗震设计规范定义的反应谱分别模拟了四类场地的空间变化地震动,数值计算了桥梁相邻结构在模拟的不同视波速和相干程度空间地震动激励下的相对位移反应,以此确定不同类型场地上为避免桥梁相邻结构碰撞所必需的伸缩缝最小间距,并分析了地震动空间变化、场地条件和结构振动特性对桥梁相邻结构最大相对位移反应的影响。分析结果表明：桥梁所在场地越软,相邻结构间的相对位移反应越大；地震动的空间变化对桥梁相邻结构相对位移反应有着重要影响,当桥梁相邻结构拥有相似的振动频率时影响最大。抗震设计标准推荐调整相邻结构基本频率相近而减小相邻结构间的相对位移,从而达到避免结构碰撞的建议仅在地震动空间变化效应可以忽略的前提下有效。(3)针对输电塔-线体系这种大跨度的高柔结构,分析了其在非平整场地空间变化地震动作用下的结构非线性反应并进行了详细的数值模拟。考虑导线的几何非线性,建立了输电塔-线体系的三维有限元模型。利用生成的非平整非均匀场地空间相关多点地震动时程,首先对非平整场地上的这种复杂大跨度结构进行了地震动一致激励、行波激励和全面考虑地震动空间变化的多点激励下的地震反应分析；然后分别研究了非平整多土层场地地震动多维激励和局部场地条件差异对大跨越输电塔-线体系地震反应的影响。分析结果表明了考虑地震动多维效应和空间变化对研究输电塔-线体系地震反应的重要性,为该类结构体系的抗震设计提供了有意义的参考。(4)分析了考虑场地效应的空间变化地震动水平向和竖向共同作用下大跨度拱桁架结构的反应,研究了拱桁架结构可不考虑地震动空间变化影响的界限跨度。空间变化地震动是根据抗震规范定义的特定场地2%阻尼比反应谱和经验相干函数模拟生成。分别分析了由行波传播、相干损失和不同局部场地条件引起的地震动空间变化对结构反应的影响,研究了空间地震动水平向作用和水平向与竖向共同作用下结构反应的差异。此外,对抗震规范定义的四种类型场地上不同跨度的拱桁架结构进行了多点激励分析和一致激励分析,比较了不同激励情况下结构杆件内力反应,给出了四种类型场地上拱桁架结构可不考虑地震动空间变化影响的最小跨度,所获得的结果可为拱桁架结构的实际抗震设计提供有益的信息和建议。最后,比较分析了大跨空间平板网架结构在地震动一致激励、行波激励和多点激励下的支承柱和上部杆件内力反应情况,分析结果表明忽略地震动的空间变化可能严重低估大跨度空间网架结构的地震反应。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 绪论  12-34
  1.1 选题背景及研究意义  12-13
  1.2 研究现状  13-34
    1.2.1 空间变化地震动的输入  13-19
    1.2.2 空间变化地震动的模拟方法  19-21
    1.2.3 大跨度结构地震反应分析方法  21-27
    1.2.4 大跨度结构在空间变化地震动激励下的反应特性  27-32
    1.2.5 本文主要研究内容  32-34
2 空间变化地震动场的模拟  34-57
  2.1 引言  34-35
  2.2 功率谱密度函数  35-36
  2.3 相干函数的定义和选取  36-37
  2.4 波传播理论和场地放大效应  37-40
  2.5 非平稳随机模型  40-41
  2.6 空间变化地震动的生成方法  41-43
  2.7 算例分析  43-56
    2.7.1 算例一  44-46
    2.7.2 算例二  46-50
    2.7.3 算例三  50-56
  2.8 本章小结  56-57
3 桥梁相邻结构相对位移反应谱研究  57-76
  3.1 引言  57-59
  3.2 模数式伸缩缝  59-60
  3.3 桥梁相邻结构数值分析模型的建立  60-61
  3.4 运动方程的建立  61-62
  3.5 空间地震动的模拟  62-65
  3.6 算例分析和讨论  65-75
    3.6.1 地震动空间变化效应  66-69
    3.6.2 地震波视波速  69-71
    3.6.3 地震动相干损失  71-72
    3.6.4 场地条件  72-75
  3.7 本章小结  75-76
4 非平整场地上输电塔-线体系的地震反应研究  76-101
  4.1 引言  76-77
  4.2 输电塔-线体系模型  77-79
  4.3 多点激励时程分析的实现过程  79-80
  4.4 非平整场地上输电塔-线体系的地震反应  80-92
    4.4.1 空间地震动的合成  81-83
    4.4.2 数值分析和讨论  83-92
  4.5 非平整多土层场地上输电塔-线体系的多维地震反应分析  92-100
    4.5.1 空间地震动的合成  93-95
    4.5.2 数值分析和讨论  95-100
  4.6 本章小结  100-101
5 多点激励下大跨度空间钢结构的地震反应研究  101-135
  5.1 考虑场地效应的地震动多点激励下拱桁架结构的反应  101-117
    5.1.1 结构模型  102-105
    5.1.2 空间变化地震动的模拟  105-108
    5.1.3 地震动空间变化效应  108-111
    5.1.4 竖向地震动分量对结构反应的影响  111-112
    5.1.5 空间地震动行波效应  112-114
    5.1.6 空间地震动部分相干效应  114-115
    5.1.7 场地效应  115-116
    5.1.8 小结  116-117
  5.2 拱桁架结构可不考虑地震动空间变化影响的界限跨度  117-126
    5.2.1 结构模型  117-119
    5.2.2 研究杆件对象和影响因素的确定  119-122
    5.2.3 空间地震动的模拟  122
    5.2.4 数值分析  122-125
    5.2.5 小结  125-126
  5.3 地震动多点激励下大跨空间网架结构的反应分析  126-135
    5.3.1 结构分析模型  126-128
    5.3.2 地震动参数选取及地震波合成  128-129
    5.3.3 结构地震反应分析  129-133
    5.3.4 小结  133-135
结论  135-138
参考文献  138-150
创新点摘要  150-151
攻读博士学位期间发表学术论文情况  151-153
致谢  153-154
作者简介  154-156

空间变化地震动激励下大跨度结构的反应研究

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