多点地震激励下大跨空间结构响应分析与设计方法研究

摘要

空间变化地震动是指在较大区域范围内各点振幅和相位均不相同的地震波，考虑这种地震动空间效应可能会对大跨结构抗震设计产生重大影响。过去人们更多的将多点激励抗震设计应用在桥梁结构中，而忽略了其对大跨空间结构的影响。随着工程技术的发展，大跨空间结构的总长度越来越大，甚至可以达到数百米，抗震设计时考虑地震动空间效应的影响已成为国内外学术界和工程界的共识。虽然国内众多学者已经针对不同类型的大跨空间结构实际工程进行了多点激励响应分析研究，也认识到考虑地震动空间效应对结构抗震设计的重要性，但由于实际工程往往比较特殊，即使相同类型结构的地震响应也会存在较大差异，因此很难得到普遍适用于指定类型结构的抗震设计方法。因此，为了研究空间变化地震动对大跨建筑结构响应的影响机理，提出适用于特定类型结构的多点激励抗震设计方法，本文选取双向对称大跨空间结构简化模型作为研究对象，通过改变结构及地震动参数，对结构地震响应变化规律进行深入系统研究，主要完成了以下几方面的工作:
　　(1)对多点激励结构地震响应分析方法进行研究:给出了适用于两点支承结构的简化计算方法，并对其计算精度进行分析;对本文选用的多点虚拟激励法进行简单介绍，同时给出其简化求解形式。
　　(2)研究了三种地震动空间效应对大跨空间结构地震响应的影响机理:通过多点虚拟激励法推导出结构响应功率谱解析表达式，提取相应的多点激励效应项来分析各个地震动空间效应对于结构响应的影响机理;选取不同工况组合来具体分析行波效应、部分相干效应以及局部场地效应对结构响应的影响规律;并通过计算结构响应极值随行波频率的变化来判断结构受影响程度。
　　(3)研究了不同支承数量以及支承形式对于多点激励下结构响应的影响规律:先以两跨多支承结构为例，推导相应的多点激励效应项并计算结构响应极值，再与单跨结构进行比较，分析支承数量增加对于结构响应的影响机理;将此方法拓展至多支承结构，分析支承数量增加对于结构响应的影响规律;改变结构支承形式来研究结构总体刚度分布变化对于多点激励下结构响应的影响。
　　(4)研究了多点地震激励对大跨空间结构扭转响应影响机理:同样通过多点虚拟激励法对结构屋盖的扭转响应功率谱解析表达式进行推导，求解出结构扭转响应的极值分布规律;提出“等效扭转偏心率”的概念，并与我国抗震设计规范给出的“偶然偏心率”进行比较来考察多点地震激励效应对于结构扭转响应的影响程度;通过改变结构的支承数量、支承形式、层数、扭转周期比、柱子侧向刚度及场地类型等条件来系统的分析结构扭转响应受多点激励效应的影响变化规律。
　　(5)对多维多点激励下大跨空间结构地震随机响应进行研究:首先通过理论推导给出多维多点虚拟激励法的求解形式;再通过数值算例分析比较多维多点激励与单维多点激励下结构地震响应的异同;最后通过改变地震波的入射角度来研究其对多维多点激励下结构地震响应影响规律。
　　(6)提出空间变化地震动下大跨空间结构抗震设计方法:根据前文所研究的多点激励下大跨空间结构简化模型地震响应规律，总结出适用于此类型结构的多点抗震设计方法。首先分别给出结构抗震设计中对于行波效应、部分相干效应以及局部场地效应的考虑方法，并提出考虑行波效应所需要的最小结构跨度限值的计算方法;针对于结构扭转响应给出了总的结构等效扭转偏心率的计算公式;对于需要进行多维多点地震激励的结构给出相应的设计参考建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 大跨空间结构地震反应分析方法

1．2．1 动力学基本方程

1．2．2 时程分析法

1．2．3 随机振动法

1．2．4 反应谱法

1．3 多点激励地震动模型

1．3．1 多点激励地震动功率谱模型

1．3．2 地震动功率谱密度函数

1．3．3 迟滞相干函数

1．3．4 行波效应项

1．4 试验研究概况

1．4．1 振动台阵试验

1．4．2 拟动力试验

1．4．3 现场测试试验

1．5 多点激励下大跨结构响应分析

1．5．1 桥梁结构工程实例分析

1．5．2 空间结构工程实例分析

1．5．3 简化模型响应规律分析

1．6 本文主要研究内容

第2章 多点激励下结构地震响应分析方法研究

2．1 两点支承结构多点输入地震响应简化算法

2．1．1 多点输入随机响应

2．1．2 两点支承结构拟静力响应简化计算

2．1．3 算例分析

2．1．4 小结

2．2 多点虚拟激励法简介

2．2．1 虚拟激励法基本原理

2．2．2 多点虚拟激励法简介

2．2．3 多点虚拟激励法简化求解形式

2．3 随机过程的最大值估计方法

2．4 地震动功率谱密度函数合成方法

2．5 本章小结

第3章 地震动空间效应对大跨空间结构地震响应影响机理研究

3．1 大跨空间结构简化模型和参数

3．1．1 简化结构模型

3．1．2 模型参数矩阵

3．2 多点激励地震动模型

3．2．1 多点激励地震动功率谱模型

3．2．2 一致地震动输入模型

3．3 结构地震响应功率谱公式推导

3．3．1 支座虚拟激励表达式

3．3．2 结构虚拟响应量表达式

3．3．3 结构虚拟响应量功率谱

3．4 多点激励下结构柱顶相对位移响应数值计算分析

3．4．1 多点激励效应工况

3．4．2 工况一：仅考虑行波效应

3．4．3 工况二：考虑行波效应与部分相干效应

3．4．4 工况三：考虑行波效应与局部场地效应

3．4．5 工况四：同时考虑三种空间效应

3．5 本章小结

第4章 多支承大跨结构地震响应受多点激励效应影响机理研究

4．1 多点激励效应对两跨多支承结构地震响应影响机理

4．1．1 两跨多支承结构简化模型与参数

4．1．2 两跨多支承结构响应功率谱计算公式推导

4．1．3 两跨多支承结构多点激励下柱顶相对位移响应数值计算分析

4．2 支承数量对多点激励下结构响应的影响

4．2．1 多支承结构简化模型与参数

4．2．2 多点激励下多支承结构响应数值计算分析

4．3 不同支承形式对多点激励下结构响应的影响

4．3．1 多点激励效应项比较

4．3．2 不同支承形式结构响应极值比较

4．4 本章小结

第5章 多点地震激励对大跨空间结构扭转响应影响机理研究

5．1 多点激励效应对单跨结构扭转响应影响机理

5．1．1 结构模型

5．1．2 屋盖内力响应功率谱计算公式推导

5．1．3 屋盖内力响应极值分析

5．1．4 等效扭转偏心率

5．2 支承数量对结构扭转响应的影响

5．2．1 多支承结构屋盖内力响应功率谱计算公式推导

5．2．2 多支承结构屋盖内力响应极值分析

5．3 不同支承形式的影响

5．4 不同层数对结构扭转响应的影响

5．5 不同扭转周期比对结构扭转响应的影响

5．6 结构柱子刚度的影响

5．7 场地条件的影响

5．8 本章小结

第6章 多维多点激励下大跨空间结构随机地震响应研究

6．1 空间相关多维多点地震动

6．2 多维多点虚拟激励法

6．2．1 构造三维多点虚拟激励

6．2．2 响应功率谱求解

6．3 数值算例

6．3．1 结构模型与方程

6．3．2 数值计算分析

6．4 本章小结

第7章 考虑地震动空间效应下大跨建筑结构抗震设计方法研究

7．1 行波效应的考虑方法

7．1．1 最不利视波速确定方法

7．1．2 结构最小跨度限值

7．2 部分相干效应的考虑方法

7．3 局部场地效应的考虑方法

7．4 多点地震激励下结构扭转响应的考虑方法

7．5 多维多点激励下结构地震响应考虑方法

7．6 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 本文主要结论

8．2 进一步研究的建议

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢