【博士】近場地震下橋梁結構基于性能抗震設計的能量方法【2007】

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　　學科專業(yè)：防災減災工程與防護工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：北京交通大學　　學位年度： 2007年　　近斷層區(qū)的嚴重震害給抗震界提出了新的課題，靠近活動斷層區(qū)域的地震動以其長持時速度脈沖的巨大破壞能力而對現(xiàn)行抗震設計方法提出了新的考驗，迫切需要在搞清近斷層地震動主要特性的基礎上改進現(xiàn)有的抗震設計方法。隨著近年來儀器技術的進步，已經(jīng)記錄到相當數(shù)量高質(zhì)量的近場強震記錄，使這項研究具備了地震輸入的必要基礎。由于結構對地震作用的抵御在本質(zhì)上是地震輸入能量的消耗過程，本文以脈沖型近場地震動為對象，發(fā)展了橋梁結構基于能量的性能評估方法，建立了能夠同時考慮累積耗能和最大變形需求的基于預期性能目標的橋梁結構抗震設計方法，主要工作如下：　　1．挑選具有速度脈沖的典型近震記錄為輸入，以隔震連續(xù)梁橋為對象提取了決定速度脈沖破壞能力的控制參數(shù)厶，建議了一種采用三角函數(shù)疊加高頻分量的速度脈沖模擬模型，并利用所收集到的世界范圍內(nèi)的近斷層強震記錄對脈沖控制參數(shù)進行了回歸分析。引入累積能量和瞬時能量概念，能量譜分析表明在近斷層地震動諸參數(shù)中，脈沖周期和脈沖強度是影響結構峰值響應的決定性因素，累積輸入能量受高頻地震分量影響明顯，而瞬時輸入能量則主要取決于速度脈沖。等效單墩的算例分析表明，瞬時輸入能量是表征地震破壞能力的有效指標，從累積耗能比和瞬時耗能比的分布特征可得出，LRB雙線性隔震支座耗能效率在0．3～O．6的范圍內(nèi)，表明近場脈沖下被動隔震裝置的耗能能力有待提高，需要發(fā)展合理可靠的減震、耗能方式?！　?．在總結既有的輸入能量簡化計算方法不足之處的基礎上，建議了一種基于譜速度的改進模型，用近場記錄驗證了本文方法的準確性．基于地震動記錄分組，進行了輸入能量均值譜、840／0包絡曲線的分布特征分析，采用半經(jīng)驗、半統(tǒng)計方法建議了適用于O～15km斷層范圍內(nèi)的輸入能量設計譜(EⅢs)，并用實際記錄進行了驗證。與日本建筑抗震規(guī)范(1985、2001)及Akiyama、121iment等模型的對比表明，本文建議的設計能量譜能較好的反映近斷層區(qū)潛在的能量需求，而其他規(guī)范則存在取值偏低等明顯不足。從所建議的輸入能量簡化計算模型出發(fā)，推導了與當前中、美主要抗震設計規(guī)范(GB50011．200l、UBc97)加速度譜相容的輸入能量等效速度譜，和本文所建議設計譜對比表明我國GB5001 1-2001規(guī)范除在Ⅲ、Ⅳ類場地下的9度罕遇烈度設防地震下能一定程度上體現(xiàn)近場地震的能量放大效應外，在其他設計加速度和場地條件下均明顯低于斷層距在O～15km范圍內(nèi)的能量輸入需求，近場地震中速度脈沖效應(F1ing or Pulse Effect)對結構破壞的影響在GB5001 1-2001規(guī)范的反應譜曲線中未能反映出來．其譜參數(shù)需要進行調(diào)整；而與美國UBC97規(guī)范相容的能量譜對比表明除了在基巖場地(sA)上UBC97規(guī)范參數(shù)取值偏低外，在其他場地條件和斷層距范圍內(nèi)均和本文所建議的0～15km斷層距的輸入能量譜較好地吻合，表明該規(guī)范采用近場因子N^、Nv考慮近場效應是必要的，也從另一角度印證了本文建議譜的合理性?！　?．在對記錄分組進行大量工況分析的基礎上得出影響輸入能量分配的決定性因素為結構阻尼和變形延性，提出了引入長周期下降段的全面考慮結構阻尼和延性需求的滯回耗能與輸入能量比，對比表明本文模型取值更符合近場地震動的能量分配特征。采用考慮剛度退化的滯回模型，討論了地震動輸入能量和SDOF體系非彈性最大變形之間關系，采用分段線性化方法建議了考慮場地分類的函數(shù)表達式，并用多自由度實體橋墩為算例進行了驗證。在給出多自由度結構的地震輸入總能量和滯回耗能需求、結構耗能能力以及總能量分配計算方法的基礎上，提出了基于能量的橋梁結構損傷評估方法，并以3座加拿大的實際橋墩為對象進行了驗證?！　?．采用改進的Park-Ang雙參數(shù)損傷評估模型，對三類不同場地下基于等延性的強度折減因子設計的剛度退化單自由度體系的地震損傷分析表明，考慮單一變形延性的設計方法不能有效考慮地震動累積損傷效應，由于剛度退化導致的累積損傷會使得傳統(tǒng)的設計方法偏于不安全。定義了基于確定性能目標的強度折減因子，自編程序計算了三類場地下剛度退化體系等性能目標強度折減因子的分布特征，構造了5％阻尼條件下的回歸模型。以此為基礎，推導了與UBC97抗震設計規(guī)范相容的等性能目標非彈性位移譜，發(fā)展了基于性能的橋梁墩柱抗震設計方法，并用算例驗證了本文方法的可行性。最后，討論了長細比取值較大的高柔橋墩和不等高MDOF全橋結構的多階模態(tài)效應，引入多自由度振型分解反應譜理論提出了全橋結構基于性能的簡化設計方法?！　?

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