基于空间变化特性的地震动模拟及悬索桥地震反应分析

摘要

地震动是一个空间变化的时间过程，人们对地震动的时间变化特性研究得较多，而对地震动的空间变化特性的研究尚不够深入。对一般的建筑结构，由于基地的平面尺寸比较小，忽略地震动的空间变化是可以接受的，但对于平面尺寸较大的结构物，地震动的空间变化可能对结构反应产生较大的影响，此时再不考虑地震动的空间变化可能得出不真实的计算结果。 现有的桥梁设计规范采用的是反应谱抗震分析方法，只考虑一致地震激励的影响，而实际地震过程中，由于震源、地震波传播路径和局部场地条件等的差异导致了桥梁各支承点的实际地震动输入是不同的，所以有必要对桥梁结构进行多点激励分析。 (1)介绍了合成地震动时程所需要的重要参数与模型，并分析了各种模型的优缺点和适用范围。 (2)人工地震动合成。先介绍了在工程中普遍使用的单点激励地震动模拟方法，并在此基础上向多点地震动合成过渡。引入了相干函数反应震源和测点之间的相干性，用视波速反应行波效应的多点模拟，但不能很好的模拟出测点之间的相干性和场地局部效应的影响；用当量功率谱化简功率谱矩阵，合成的地震动时程在测点之间的相干性不好：利用新的合成方法，并重新推导了合成过程，简化和发展了考虑地面运动空间相关性的地震动模拟方法，模拟出符合多点激励要求、能够反应地震动时域．频域非平稳性、反应出局部场地条件效应、部分相干效应和行波效应的地震动时程。 (3)总结了多点激励的三种结构地震反应分析方法：反应谱分析法、时程分析法和随机振动分析法，并对三种方法进行了评价。推导了桥梁结构空间非线性地震反应动态时程分析时运动方程的建立和随机振动分析时激励及响应的各种关系。 (4)悬索桥地震反应分析。介绍了目前悬索桥动力分析的模型，为了多点激励响应的有限元分析，本文将大质量法理论与拟静力位移概念相结合，从理论上推导了结构绝对位移时程分析方法的运动方程，并给出了其在数值计算的实现方法，使的该时程分析方法的较以前的相对位移法，能考虑地基平动，得到结构的绝对位移，而且该方法能方便工程技术人员在一般的通用有限元程序上实现。

目录

文摘

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声明

1绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.1.1地面运动时间-空间变异性

1.1.2桥梁结构地震反应分析应考虑地面运动的时间空间变异性的影响

1.2空间变异地震场的描述

1.2.1空间变异地震场的描述

1.2.2非平稳地震波的人工模拟

1.3大跨度悬索桥的抗震分析现状

1.4本文主要研究内容

2空间相关多点地震动的参数与模型

2.1空间变化的地震动强度包络函数

2.2功率谱

2.2.1自功率谱模型

2.2.2测点间的互功率谱模型

2.3相干函数模型

2.3.1经验模型

2.3.2半理论半经验模型

2.4视波速

2.5本章小结

3空间相关多点地震动的模拟

3.1考虑空间相关性的地震动应具有的特征

3.2单点激励地震动场的模拟

3.3多点地震动的模拟

3.3.1基于相干函数模拟具有空间相关性的随机场地震动

3.3.2基于谱表示的随机场多点地震动模拟

3.3.3基于互相关功率谱的随机场多点地震动模拟

3.4本章小结

4多点激励下桥梁地震反应分析方法

4.1桥梁地震反应分析的反应谱方法

4.2桥梁结构空间非线性地震反应动态时程分析方法

4.2.1桥梁非线性的主要来源

4.2.2一致地震动输入下运动方程的建立

4.2.3多点地震动输入下运动方程的建立

4.3大跨度桥梁随机地震响应分析

4.3.1结构对单点激励的响应

4.3.2结构对多点激励的响应

4.4三种方法的比较

4.5本章小结

5多点激励下悬索桥地震反应分析

5.1悬索桥动力计算模型

5.1.1桥面系

5.1.2索的模拟

5.1.3主塔的计算模式

5.1.4有限元建模

5.2悬索桥基频的近似计算

5.2.1一阶反对称竖向弯曲频率

5.2.2一阶对称竖向弯曲频率

5.2.3一阶反对称扭转频率

5.2.4一阶对称扭转频率

5.3大质量法与拟静力位移概念相结合的理论

5.4悬索桥地震反应分析实例

5.4.1工程概况

5.4.2建立有限元模型

5.4.3自振特性分析

5.4.4地震激励反应分析

5.5本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢