多点激励的计算方法研究及其在桥梁易损性分析中的应用

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地震动的空间非一致效应对大跨桥梁结构具有不可忽略的影响,目前已成为工程抗震领域的共识。在合理简化模型的基础上,采用数值模拟的手段进行桥梁抗震分析是目前研究和设计人员常用的方式。不同于已被广泛认可的一致激励计算方法,对多点激励计算方法,人们在理论假定和使用条件上仍存在不同认识。同时,由于地震动具有不可预测性,即使同一结构,依据目前研究方法选取多条地震动进行分析,其结果仍会存在较大差异。为了更清楚地认识大跨桥梁结构在地震作用下的响应规律,本文采用理论分析和数值模拟相结合的方式,对多点激励计算方法进行了深入研究,并将其应用于大跨刚构桥梁的易损性分析。主要研究内容如下:(1)通过理论推导指出了多点激励计算方法(直接求解法、相对运动法、大质量法、大刚度法、位移输入法)的适用条件、计算精度及误差来源。并在讨论各计算方法误差修正有效性的基础上,针对Open Sees软件中内嵌的位移输入法,从同时修改模型和激励时程以及只修改激励时程两个角度,提出了CMRE和同时输入加速度、速度及位移时程的修正策略。最后采用数值模拟验证了理论分析及所提修正策略的正确性,并综合其适用范围、计算精度、使用条件等,给出了多点激励计算方法的合理选择建议。(2)对空间非平稳多点地震动模拟中常用的三角级数法和相位差谱法进行了对比分析,并采用Matlab软件编写了相关程序。通过实例分析说明了在模拟地震动时,为保证精度要求,需采用积分法进行反应谱和功率谱的转换以及多次迭代;同时也说明了三角级数法模拟的地震动只具有时域非平稳特性,而相位差谱法模拟的地震动则具有完全非平稳特性的特点。最后,采用模拟的地震动对某大跨刚构桥梁进行时程反应分析,验证了模拟时程的合理性,同时也指出了频域非平稳性对结构响应的影响。(3)以某大跨刚构桥梁为例,综合考虑模型的不确定性和输入地震动的不确定性,通过对600个样本桥梁模型、9个地震动强度指标分析,给出了多点激励下此类桥梁最优地震动强度指标的选用建议。最后在对1200个样本模型分析的基础上,建立了一致激励和多点激励下桥墩构件、支座构件以及桥梁系统的易损性曲线,并对不同构件的损伤特性进行了对比,为此类桥梁抗震设计提供参考。
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