地面运动特性对典型桥梁结构地震需求的影响研究

摘要

多年来，国内外地震工程界存在着一个严重缺陷，即地震学与结构抗震两者之间缺乏联系。而且，随着基于性能的地震工程学(PBEE)和抗震设计(PBSD)理论的出现以及不断发展，地震学的重要性日益凸显。基于性能的地震工程学和抗震设计理论的第一个重要阶段就是地震危险性分析，其结果将被直接应用于下面的各个阶段和模型。只有选择具有合理地震动特性的地面运动，符合实际地震灾害环境，才能使计算结果如概率地震需求、易损性曲线等更加真实、可信，从而作为结构设计、分析和加固等的重要依据。基于以上背景，本文结合单墩和梁桥结构特点，系统地研究了地面运动特性对其地震反应及概率地震需求的影响，提出了可以考虑频谱特性和持时的优化选波策略，并对选择合理的地面运动强度参数(IM)提出建议。上述策略和建议可以使计算结果更加符合实际地震灾害环境，能够显著提高概率地震需求模型、工程需求参数(EDP)危险性曲线以及易损性曲线等的精确性以及计算效率。综合起来，本文主要做了以下几部分工作：
　　 (1)在查阅大量国内外文献的基础上，对地震学、与工程抗震关系密切的地震动特性、概率地震危险性分析、桥梁抗震设计理论、基于性能的地震工程学和桥梁抗震设计、桥梁结构地震易损性分析等方面的发展研究现状进行了系统的回顾与总结。
　　 (2)采用弹塑性纤维梁柱单元建立具有不同周期的墩柱计算模型，其周期范围可以覆盖整个反应谱的三个重要区段，即峰值平台段、下降段和平稳段。通过IDA分析，深入讨论了不同的地震动特性特别是三要素(幅值、频谱特性和持时)对于不同周期的各墩柱模型不同工程需求参数的影响，揭示出具有不同动力特性的桥墩结构对于不同地震动特性的敏感度。
　　 (3)采用具有典型结构的连续梁桥作为分析对象，选择合理的工程需求参数，将墩柱模型的分析结论推广到梁桥结构。通过IDA分析和各种概率统计方法，着重分析地面运动三要素对于梁桥结构地震反应和概率地震需求的影响，确定不同要素对于不同构件、不同工程需求参数的影响程度。在此基础上，说明在选择地面运动时，必须要考虑到频谱特性和持时，并对梁桥结构动力分析中合理选择地面运动强度参数提出建议。
　　 (4)根据目标谱匹配的方法，提出可以考虑到频谱特性和持时的优化选波策略，给出了详细的选波步骤，并通过计算分析充分说明这种选波策略的优越性，可以使计算结果更加精确，符合实际地震灾害环境，而且计算效率也更高。同时，结合我国工程实际情况，对于现有的可以作为目标谱的几种反应谱进行了一定的探讨。通过地震危险性分析和地面运动的选择，可以将地震工程学与结构抗震有机地联系起来。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1概述

1.2 PEER基于性能的地震工程学理论框架

1.3影响结构地震需求的不确定性因素

1.4强地震动特性

1.4.1地震动幅值特性

1.4.2地震动频谱特性

1.4.3地震动持时特性

1.4.4地震动衰减关系

1.4.5概率地震危险性分析及其降解过程

1.5结构抗震中地震需求与地面运动特性相关问题及研究现状

1.5.1结构地震需求的研究现状

1.5.2地面运动强度参数(IM)的研究现状

1.5.3频谱特性对于结构地震反应的研究现状

1.5.4持时对于结构地震反应的研究现状

1.6本文的研究目的及主要工作

1.6.1本文的研究目的

1.6.2本文的主要研究内容

1.6.3本文的章节安排与组织

本章参考文献

第二章强震地面运动特性对桥墩结构地震需求的影响

2.1概述

2.2结构分析模型

2.3工程需求参数(EDP)的选择

2.4频谱特性对于桥墩结构地震需求的影响

2.4.1谱形对于桥墩结构地震反应的影响

2.4.2谱形对于桥墩结构概率地震需求的影响

2.5持时对于桥墩结构地震需求的影响

2.5.1持时定义

2.5.2持时对于桥墩结构地震反应的影响

2.5.3持时对于桥墩结构概率地震需求的影响

2.6幅值对于桥墩结构地震需求的影响

2.6.1幅值对于桥墩结构地震反应的影响

2.6.2幅值对于桥墩结构概率地震需求的影响

2.7本章小结

本章参考文献

第三章强震地面运动特性对梁桥结构地震需求的影响

3.1概述

3.2桥梁结构的模拟

3.2.1算例桥梁

3.2.2有限元模型

3.2.3动力特性

3.2.4工程需求参数(EDP)的选择

3.3频谱特性对于连续梁桥结构地震需求的影响

3.3.1谱形对于连续梁桥结构地震反应的影响

3.3.2谱形对于连续梁桥结构概率地震需求的影响

3.4持时对于连续梁桥结构地震需求的影响

3.4.1持时对于连续梁桥结构地震反应的影响

3.4.2持时对于连续梁桥结构概率地震需求的影响

3.5幅值对于连续梁桥结构地震需求的影响

3.5.1幅值对于连续梁桥结构地震反应的影响

3.5.2幅值对于连续梁桥结构概率地震需求的影响

3.6本章小结

本章参考文献

第四章考虑频谱特性和持时的优化选波策略

4.1概述

4.2考虑频谱特性的选波策略

4.2.1谱形参数ε

4.2.2对于目标谱的选择

4.2.3考虑谱形的选波策略

4.2.4算例分析

4.3考虑持时的选波策略

4.3.1持时衰减关系

4.3.2考虑持时影响的选波策略

4.3.3算例分析

4.4本章小结

本章参考文献

第五章结论与展望

5.1本文主要研究工作

5.2本文主要结论

5.3未来研究和发展方向

附录

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果