（土木工程专业论文）大跨度格构式拱结构的动力分析与研究.pdf

确济大举颧七学锰论文 摘要 摘要 对予大跨度终秘，蘧震波在终稳基磷瑟上懿传攘震要经历一定的时阉，也裁 是说，在同一时刻，结构各支承点所承受的地荫运动是不同的，这就是非一致地 震激励问题。这一问题涉及到了地霹动的行波激应，部分相干效应，和局部效应。 本文以常熬市体胬场西看台顶怒为工程背景，以“大质量法”时程分援为主， 模态努橱帮反瘟谱分孝厅为辅勘，僭勃有疆元软待a n s y s ，详绸魏分析了菲”致地 震激励问题，其中重点考虑了地震动的行波效应。本文首先对结构进行了模态分 析，通过结构的振型特点，揭示了大跨拱结构的动力特性，并对大跨度结构振型 照选取撼蠢了一些建议。然后，魄较了一致邃震埝入窥j 一致逡震赣入秀耪不同 情况下的计算结果，计算结果表明行波效应不仅增大了结构的动力效应，丽且改 变了结构内力的分布特征。在考虑非一致地震激励问题时，进一步又分析了看台 结构、络秘支座醯密、建震动传播方囱等因素对颚蓬结梅动力效应躲影响，特爨 是看台绣鞫对顶蓬动力效应的影响。从以上凡个方聪，证镪了类似大跨度结构的 动力分析，不仅需要考虑非一致地震激励的影响，而且分析的思路也与一致输入 情况下有较大不同。文章最后又从几何和剐度鼹个方面，探讨了大跨度格构式拱 结魏藜动力饶诧藤越。并量在不溺壹| 蠡震设貔燕爱情凝事，霹大跨度捂构式撰缭擒 的地震响应，在整个缩构受力中所占比重，进行了评估。得出结论：在考虑非一一 致地震的情况下，即便是在低设防烈度区，地震作用也是不可忽略的因素：在高 设防烈发区，遗震锋鲻将成为主要羧囊l 修爆，结稳动力效应斡饶位目题也将 豢 必要。菇矫，针对格构式结构的特点，本文采爝a n s y s 的编獠语言a p d l ，编制 了内力合成程序，使格构式结构的内力输出更加赢观。 关键词：大跨度结构，拱结构，非一致地震激励，行波效应 垒! 堡! ! ! 坠! ! ! 竺! 竺! 壁型! ! 里翌笪! 竺! 墨! 型坐! 堕! 生! ! 壁! ! 垡坚! 壁竺 竺! ! 璺! ! a b s t r a c t i ti sn e c e s s a r yt ot a k em u l t i p o i n ti n p u t si n t oa c c o u n tf o rt h ee a r t h q u a k er e s p o n s e a n a l y s i so f t h e1 0 n gs p a ns t r u c t u r e s ，b e c a u s ei tt a k e ss o m et i m ef o rw a v e st op a s st h e b a s eo ft h es t r u c t u r e ，t h es t u d i e si n c l u d ew a v ep a s s a g ee f f e c t ，i n c o h e r e n c ee f f e c t ，a n d s i t er e s p o n s ee f f e c t t h ep a p e ra n a l y s e st h em u l t i - s u p p o r t e de x c i t a t i o n ，w i t ht h ep r o j e c tb a c k g r o u p o ft h ew e s t e ms t a n do fc h a n g s h us t a d i u m ，b ym e a n so fa n s y s ，t h ef i n i t ee l e m e n t p r o g r a m f o rs i m u l a t i n gw a v ep a s s a g ee f f e c t ，i ts e l e c t st h ee l e m e n tw i t he n o r m o u s m a s s f i r s t ，t h ep a p e l r u n st h ea n a l yo fm o d a l a n ds t u d i e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o ft h el o n g s p a ns t r u c t u r e s o m es u g g e s t i o n sa r ep r o p o s e dt os e l e c tt h em o d e s e f f e c t i v e l yf o rc o m b i n a t i o n s e c o n d l y , t h er e s u l t so fu n i f o r me x c i t a t i o nm a dt h e m u l t i - s u p p o r t e de x c i t a t i o na r ec o m p a r e d i tp r o v e st h a tw a v ep a s s a g ee f f e c tn o to n l y i n c r e a s e st h ed y n a m i ce f f e c to ft h es t r u c t u r e ，b u ta l s oc h a n g e st h ed i s t r i b u t i o no f i n t e r n a l a c t i o n f u r t h e r l y , o t h e rf a c t o r ss u c ha st h es t a n d c l o s e n e s so f s u p p o r t s ，t r a v e l l i n gd i r e c t i o no fe a r t h q u a r ew a v e s ，a r es t u d i e d s p e c i a l l y , t h eh u g e i n f l u e n c eo ft h es t a n dc a n tb en e g l e c t e d f r o ma b o v e w ec o m et ot h ec o n c l u s i o n t h a tt h em u l t i s u p p o r t e de x c i t a t i o nc a nn o tb ei g n o r e da n di ta d d st h ec o m p l i c a t i o n o ft h ed y n a m i ca n a l y s e f i n a l l y , t h ep a d e rs t u d i e dt h eo p t i m i z eo ft h es t r u c t u r ei nt h e d y n a m i c a lf i e l d ，a n d e v a l u a t e st h el o c a t i o no ft h ee a r l h q u a k ea c t i o ni nd i f f e r e n t s e i s m i cf o r t i f i c a t i o ni n t e n s i t y i ti sc o n c l u e dt h a te a r t h q u a r er e s p o n s ec a n tb ei g n o r e d e v e ni fs e i s m i cf o r t i f i c a t i o ni n t e n s i t yi sl o w e r , a n di tw i l lb e c o m e t h ep r i m a r ya c t i o n w h e ns e i s m i cf o r t i f i c a t i o n i n t e n s i t yi sh i g h e r i na d d i t i o n ，a i m m i n ga tt h e c h a r a c t e r i s t i co ft r u s s e da r c h ，t h ep a p e rm a k e st h es p e c i a lp r o g r a mt oc o m b i n et h e i n t e m a la c t i o no f t r u s s e da r c h k e yw o r d s ：l o n g s p a ns t r u c t u r e ， a r c h s h a p e ds t r u c t u r e s ，m u l t i s u p p o r t e d e x c i t a t i o n ，w a v ep a s s a g ee f f e c t 学位论文版权使用授权书 率a 究垒了解蕊漭大学关，收集、缫存、健瓣学彼论文的援定，阍意如f 吾颂武器：投 黧学校饕蒜挺交学位论文静簿刷本和龟予敝本；学校有檬僳存学证论文躺印刷本辩| 宅乎敝， 并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供翻泶检索以及提供本 学栽论文全文或者部分纳湖蓖援务；学揍商较按有关规定辩蠢家毒荚熟门姨蠹飙拣送交论文 蘸羹嚣l 释葶疆穗子簸；在不以藏稠为蠢静的巍提f ，学校可跌适当复翻论文瓣帮努藏会鄢凌容 蝎子学术滤淤。 兹姜甏斜髓2 舀啦写年3 强2 s 镪| i 经攘导教嚣霹懑，本学位论文属予嫌密，在二年解蜜螽遥j = l 本授权书。 指羚教薅签名： 2 卯亨年3 月2 君日 学位论文作者签名：喇 z 。护芗年3 月2 君秘 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导| _ _ _ ，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：4 ，壮 2 口o j 年3 月2 8 日 同济人学硕士学位论文 第”章绪论 第一章绪论 随着社会的发展，科技的进步，人民生活的提高，要求建造更多功能复杂的大型建筑场 所，如体育馆，影剧院，候机厅，会展中心等。这样采用大跨度结构形式来解决大面积空间 的问题成为现代建筑发展的方向之一。在大跨度的结构形式中，由于拱是一种有推力的结构， 拱的这种推力抵消荷载引起的弯曲作用。拱的这种特性使其在大跨度结构领域有着极其、泛 的廊削。 1 1 拱结构的应用和发展 拱结构是最古老的结构形式之一，很早就被人类掌握和利用，广泛的应h = | 丁- 公路桥梁 和公共建筑之中。一千多年前中国亨可北省赵县的石拱桥，跨度3 7 米，就是一个有代表性的 例子。 从特点上讲，拱结构能够同时获得较好的经济平| i 建筑效果：一方面拱结构受力性能较好， 能够充分的利用材料的强度，可采用混凝十、钢筋混凝土、木和钢等多种材料建造：另一方 面拱结构的形式有利于丰富结构的形象，也是建筑师比较喜欢的一种结构形式。 从应用领域上讲，桥梁工程，体育建筑及其它一些公共建筑中都有非常广泛的应用。体 育建筑方面：例如：澳大利亚露天体育场是奥运史上最大的露天体育场，用钢量3 2 0 0 0 吨。 这个体育场摄为显著的特色就是它里面的两个巨大的拱形构架( 体育场屋顶的支撑结构) 。 每一个拱形构架全k = 约 3 5 0 米，重约6 5 0 吨。 还有目前正在施工当中， 被称作“世界第一拱”的 南京奥体中心体育场，体 育场钢屋盖采用超犬跨 钢拱利壳体组合结构，包 括v 型支撑、南北走向 主拱、由平行钢箱梁形 成的马鞍形屋面棚组成， 从空中看屋面犹如一圈 草帽的帽沿围合而成，其 中最为“关键”和“出彩” 的部位就是支撑和连缀 “帽沿”的双拱跨度 3 6 0 米，实际弧长4 2 0 多 米，标高6 7 米，有近3 0 层楼高，如两条彩虹悬挂 体育场上空，无论是跨 度、长度和高度，都堪称 “世界第一。 图11 1澳大利亚露天体育场 留1 1 2 南京奥体中心体育场 桥梁方面：比较有代表性的工程有上海的卢浦大桥，卢浦大桥的主桥结构为中跨5 5 0 米， 两边跨各1 0 0 米主跨矢跨比为：f l = l 5 ，5 的中承式全钢结构拱梁组合体系。拱肋平面倾 同济大学磷士学位论文 第一牵绪论 斜度为1 ：5 ，拱脚横向间距为5 l 米，拱顶横桥向间距为1 1 米，中跨拱肋高度从拱脚的9 米，变亿捌拱顶的6 米，高度变化为1 + 5 次撼物线边擞离度扶摸脚的9 米，变化到爆端的7 岽，嵩袋蜜纯为2 敬搬物线。 拱结构在杂交结构中也得到了最广泛的应用。 杂交结构是近年米大跨度结构发腥最为 迅速的领域。杂交结构通常是以刚性的巨型骨架勾勒出建筑造型的主轮廓，其上布置粱性结 构，形成风格各异的屋嘲。它的昂大优点是：综合刹粥舞神不网结奄在性能、综食缀济据 鑫等方嚣静撬势；丰富建筑造型，育秧铡用建笺空惩；菽善盛箨力学髓藐等。蕊之，疆建筑 的技术与蕊术于一体的“杂交”空闯结构形式将越来越得铡人们的青陈。在这些杂交臻构中， 拱结构是一种最常用的甄型骨架形式z ，为网架，网壳，悬索等屋盏结构的支座，肖效减 小，网架，网壳，悬索等屋盖结构的跨艘，组合成受力疆加合理、费蝌上更加经济的结构。 弱蹦，拱这秘基型骨絮缝稳戆造型壹接赋予。f 气势磅薅，挺拔健美的麓术形象。铡麴：圈絮 与拱式结鞫的组台，索嗣与拱式鳍掏的缀合等一l 穰灏实铡有： 北京证运会朝阳体育馆的组合索网恳盖中，其中央的重要支承结构就是立体形式的预应 力索拱体系。预应力索拱体系，是通过张拉承重索或拱的两端f 压产生强迫位移，使索与 拱互相鹰紧丽形成。与豢性悬豢结构相比，索拱体系其静较大的两q 度和羝抗不均匀荷载作罔 戆结秘彩默稳定注。 江两省体育馆建筑平面是八边形，东西k8 4 3 米，南北宽7 4 6 米。通过中间大拱悬吊 的空间钢桁架把跨度较大的网架分成了两榀跨度较小的网架。 德国舔尼黑溜冰场，平面为椭圆形，睦轴1 0 4 m ，缒轴6 7 ，屋盖部分就是由中央的落地 平瑟钢捺帮嚣片颈应力鞍嚣素疆缓成。 1 2 大跨拱结构的动力分析的发展和现状 1 2 1 丈跨拱结构的动力阍题 随着现代拱结构的跨度越来越大( 前丽提到的南京舆体中心体育场屋面钢拱，两条大拱 水平跨壤达到了3 6 0 4 米) ，拱结构的动力阚题越来越受到人们的重裁。在动力菇载舱作崩 ，臻掬审将产生除它释j 麓静力俦臻阻辨麓瓣热动力旋瘴。雾j 知： 1 ) 造成过大的应力 2 ) 荷裁多次重复作用造成结构疲劳损伤 3 ) 搬动对房屋的髓往或办公人员造成不适的感觉铸等 动力棼载主要龟籀露：铁疆，公黪的苇壤蕊载积久瓣旃载遗播辩产生瓣静者力以及由它 所激励的耩粱振动时的惯性力；由风，水流以及爆炸波引起的动力捧弼；地震作用i “。本文 主要讨论的是地震作崩。 作为动力荷载，地震是一种破坏力瓯大而义难以预测的自然灾害，强震的发生往往会带 来巨大的生念及财产损失。鼠地理环境上毫弗，我国是擞舞上匏多地震国家之一，位子蹩界上 疆大蟪震桷逢系豹交茳部位。获结掏蠲途上讲，丈跨瘦投结鞠往往都怒熏要鞠公共设施，它 们的安全性更加显得重簧。因此，大跨度拱结构在地震作用下的动力研究十分必要。 对于火跨度桥梁在士呶震中的破坏，例子有很多，例如1 9 8 9 年世界著名的旧金山海湾大 桥在地震中东段遭到严鬟破瘁。现仍处于带病工作状态”】。 对于大跨度蓬盖续鞠，这一类夫跨绫麴往艟篷重要袋稳霹攫轾，遂鼹结构在静载瓣绝震 作用f 的髓力都是非常脊剩的。那么这一类大跨结构在实际地震中的反应如何? 1 9 9 5 年1 月1 7 日本熊库县南部大地震后，日本建筑学会和空间结构经营管理娄塌会组织对震害进行 2 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 了调查。其中一看台钢结构屋架，三维的圆锥形式，东西对称，覆盖三角形j 空间，该结构以 龙骨梁为主体结构，中部南北方向约1 0 0 m 的2 根龙骨梁主拱分别i 苛定在大型支座上，北面 部分的边长约2 3 0 m ，其支序放在看台建筑的上部，东西方向通过底板由螺栓固定。支座部 分是由钢制的半圆球和从半圆球。l 伸山的五根管材来支持的。在这次地震中管材的接合处多 处破坏，中部的龙骨梁的中部v 形支柱出现弯折，东侧土拱的锚阃支座发生了j ：浮，螺栓被 剪断，与北侧屋顶相连的支座螺栓也全部被剪断等等。尽管这类破坏的例子较少，但只有数 例也是受到了严重破坏，这为设计人员在这类结构的设计敲响了警钟“。 另外在这次震害调查中，引起注意的是，地震破坏主要集中在节点，柱脚等部位，因此 如何保证节点足够的延性和变形能力是抗震设计的重要课题。 1 2 2 动力分析方法的发展和现状 地震作用作为动力荷载，它与一般静力荷载的区别主要体现在以下三个方面：其一，结 构所承受的动力荷载的人小和结构自身特性密切相关，即结构的质量和刚度大小的变化直接 影响地震作用的强弱，而对静力荷载，其大小至少与结构刚度特性基本无关；其二，地震作 用是一种不规则的循环往复荷载，因此，其解答不具有静力问题结答的唯一性，而具有时间 的概念，从工程意义上说，这一特点导致了对地震作用峰值的关注：其二，与静力荷载相比， 地震作用具有更大的随机性，这种随机性不仅表现在发生过程的不确定性上，而且表现在发 生地点、时间、强弱的不确定性方面p 。以上这砦特点，就造成了地震动力分析和一般静 力分析的巨大的尊别。经过近一个寸i = 纪的发展，地震动力分析方法主要有以下几种： 1 静力法 早在1 8 9 9 年，日本人层森吉提出静力法概念【6 。假定结构各个部分与地震动具有相同 的振动，从而把惯性力视作静力作用于结构物抗震计算。1 9 5 1 年，日本佐野倡导震度法， 即根据静力法概念，提i _ j 以结构重量的1 0 作为水平地震荷载。 静力法的局限性在于把地震加速度看作是结构地震破坏的单一闪素，而忽略了结构动特 性。只有当结构物的基本周期比地面运动卓越周期小很多，结构物在地震振动时几乎不产生 变性而被视作刚体时才能成立。目前随着对地震震害资料的分析和对地震作用的深入研究， 静力法已经被动力理论所取代。 2 振型分解反应谱法 1 9 4 1 年，b i t o 用地震加速度记录作为输入，研究了单自由度体系的加速度响应，提 了反应谱的概念，并给出了世界上第一个弹性反麻谱。4 0 年代末至5 0 年代初，h u o s n e l 、等 人在大量反应谱的基础上，提山了基于反应谱的结构抗震分析理论。至5 0 年代末，这理 论已为各国规范所普遍接受。 反应谱法是将多自由度体系的地震响应，按振型分解为多个单自由度体系响应的组合， 每个单自由度体系的最大反应从反应谱求得。设计反应谱一般是以大量地震记录输入，分别 绘制反应谱曲线，求其统计平均并做平滑处理得到的。 反应谱理论建立在以下假定之上： 1 ) 结构物的地震反应是线弹性的，可以采用迭加原理进行振型组合 2 ) 结构物所有支承处地震动完全相同，不考虑基础与土壤的相互作用 3 ) 采用标准设计反应谱或基于设计地震动小区规划基础之上的设计反应谱 4 ) 结构物的最不利地震响应为其最大地震反应 5 ) 地震动是平稳随机过程【9 】。 振型分解反应谱法需要考虑的问题主要有： 1 ) 振型组合；由于各振型并不同时出现，它们对结构响应的贡献也各不相同，因此振 褥济大学硬+ 学位论文 第一章绪论 型组合问趣是反应谱理论的难点之一。缀合规则主要脊6 0 年代初提出的有平方和开平方法 ( s r s s 浚) ，这罩幸方法考虑荤个摄型对惑响应的贡献，忽略了参与振型的媚关性。遮对，振 蘩额率稀蔬分布舱毒疆恁臻稳可鞋遥钕戏巍，侄对于夫薅废、不褒瓣维掏，蠢予箕援蘩频潜 比较密集，运用s r s s 法将产生很大误懿。8 0 年代初，w i l s o n 和k i u r e g h i a n 从随机理论出 发，考虑了各振型对响廊的贡献分量之间的相关系数，淑进s r s s 法为完全次组台( c 。c 法) 。9 0 年代初提出的可以考虑地震动空阕变化的反应落缀合方法( 鼢r s 法) 。 2 ) 。缀型选取：理论上，结鞠有多少鑫出度，蓑肖多少振鳖。键怒，实际l 。程中蔻不需 要，也没有必要计算所有振型。一方氍，因为低阶振型往往在体系总体段应中所占比例高丁 商阶振型，选取足够的搬型可以满足计算精度要求；另一方面，冈为有限元法把无限自由度 的结构简化为有限自由度，越是高阶特征解，计算误差趟大。因此在一l 狸中到底取多少振型， 也是嚣鬻安际的闻题。我曩燕范建议“援裂个数一般可以取振型参与震燕达到总矮鼙 所需的菝受数，也藏楚“有效殛量法”，这在许多潮舟计算程窿中袋臻，最典囊的裁跫 e t a b s ”。 反应谱理论的局限鼹： 1 ) 蹶则二只适用于线性结构 2 ) 蔽应诺失掉摇经偿惑，叠鸯蒌鼗大穰为远餐 3 ) 无法反应地震动持时的影响 4 ) 刚性假定，假定箨支承点一致激励。这对大跨度( 超过1 0 0 米) 结构不适州，并且 没有考虑溅础与土的相互作甩 5 ) ，设计反痤谱鸯许多实际反瘟谨涟线雏筠蕊，浚寄考虑建震瓣交勇性 6 ) 鞠前抗震兢范的及应谱周期范潲为6 秒，无法满足一些妖弼嬲缩构的要求。 3 时程分析法 时程分析法是真接输入强震加速度记录，对结构的妊童动方程进行积分求解，求出缩构在 整个地震避稳中各个时刻的变化。与反应谱只能得到结构的最大响应不同，时程分橱褥到憨 是结构在德震动谗强一f 瓣镝痰露程，可撵缁了瓣姥稔在整个逢震持对波豹臻擒璃应，可阕时 反映出地矮动的三要素：振幅，频谱，持时对结构响磁韵影响。而且除了在时程积分时引入 了一些假宠外，基本没有其它假定，既能处理线性问题+ 又能处理非线性问题，既能处理一 致性激励，又能处理非一致性激励。 ， 霉寸秘分辑法分为：翼重城癍懿逐步稼努，孵蠛内静栝漤攘型时程躲叠鞠，频域反应瓣诗葬 转换至辩域肉叠加p ”。麓中，逐步积分法照常用，焉两种方法裱藏，蕊加原理而受到限制。 逐步积分法分为：有限差分法，线性加速度法，w i l s o n o 法，n e w m a r k 法。其中，| i 茸两 种方法魁肖条件稳定，只通用于小规模结构，厉两种方法是无条件稳娥， 十算准确与否在于 谁线性横蒸2 模拟正确与镬。 靖蘸分辑法的主要| 递惩跫透震波麓输入，建震波鹣输入分为对域输入郓频蠛输入。 时域输入就是直接输八地震加速度时程，地震加滤魔输入方式上大约有以下几种：国际 上常用德地震加速度记蒙，例如e 1 一c e n t r o 波、t a f t 波等；工程附i 匠同类地质条什f 的强 震记录；袋用规范中设计反应谱拟和成人工地震波；采用工程场地地震蠛险性分析，掇供基 岩垂上运麓参数( 建震麓速霾峰篷，爱瘫港霹持续辩阁簿) ，生藏基磐爨上火一遗震波。蟊 翦建筑抗震设计规范( g b5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 规定：应用时程分析法进芎亍多遘地震f 的祷充计算时， 鹰按场地畿别和地震分组选用不少于两组的实际强震记蒙和一组人工地震波。取多条时程曲 线计算结聚的平均值和振型分解反应谱法结果进行比较。其中，每条时程曲线计算所得结构 底部剪力不废小于振型分鳃反应谱法谴舞绩粟鳇6 5 ，多条时程盎线诗蕤辑褥蘩构底爨翦力 瓣平均谴不痖小于摄囊分解反应谱法诗雾结栗的8 0 3 1 。时壤赣天又分为一致激藏和棼一致 激励，如结构跨度与地震波长为相同数辙级时，应考虑地震输入的时间和空简变异性。 本 嗣挤丈学颟士学位论文 第一章绪论 频域输入是建立在f o u r i e r 变换的熬础上，包括一点输入和多点输入。优点是 l 】以清楚 了解结构皇摄特性和地震波申频谱分稚特性对结构地震反应静影响。缺点是只适j = 聪予线性结 鞠，辑塞褥缝聚为逢震爱藏静方差。 而对于弹塑性时程分析，需要进一步考虑的问题是：结构恢复力模型，阻尼模型年u 相应 的阻尼比值选取。 时樱分析的局限在于，时程分析的实质是将地震动和结构响应视为确定的量，计弊结粜 蔽赖于薅麓渡缝选瘸，麓一缝稳在不溺强震己录f ，缭象明显不霹。 4 随鞔搬动法 随机振动法中无论媳输入的地震动迹是输出的结构响应，都不依赖丁_ _ 具体地震幼力程， 结构的响虑受地震随机的影响较小，而且町与可靠度理论相结合对结构的抗震性做出定量的 评价。与拜重程分析相比，睫撬振动法有受广的透耀范隧，搜广泛地认为蹩一秘较为先避合理 瀚i ：具。竣点是诗算工侔量天，难懿_ ：l ；j t + 摇簿掰接受。 随机振动法1 9 4 7 年前先由h o u s n e r 提山，半世纪以来被国内外学者广泛研究。在圈外， 以v a n m a r k c e ，k i u r e g h i a n 等人的_ l 作较有代表性，他f f j 均试图从随机搬动的基本方腮出发 来研究大蹿结构的响应，但在推导中不嗣聪度地引入假定，最后都通过一定近似手段，用反 惠谱方法采求褥阚题憋勰答。在蛋蠹，8 0 年找 冀来，我国学者拣家港教授等天良隧撬攘韵 理论为基础，提出了虚拟激振法，该法效率大为提高，而且在理论上怒随机振动方程的精确 解法。该法自动包括了所有参与振型间的相蓑性以及激励之间的相关性，在数学上垮传统的 c q c 法完全等价，是一种精确快速的c q c 法。经过_ 多年的发展已能方便地处理地震幼的传 导激励效寝，部分搪干靛疲，也能准确堍考虑棼平穗，嚣嚣匀调制弱影蛹。毽基藏该法仅适 螽；l 予一缎激赫的情况，溺蹿由丁 采嗣了攘型叠加麓穰念+ 故只能臻于线性结构豹计算。强前 该法在如何运用于多维激励和如何考虑祷种非线性因豢的影响，还有人量的r 作要做。 目前随机振动法已经被一些规范中所采用。1 9 9 5 年颁布的欧秽h 拼梁规范由于在实际应 用上以频域分析法( 它以功率谱密度作为分析的核心) 较为成熟方便，所以通常亦称为功率 落法。 5 p u s h o v e r 当建筑物逐步进入塑性屈服，建筑物的周期，振型羊阻尼比等都公发生变化，导毁等效 地震水平力的大小和分布也会发生相应的改变。近年来国内外不少人采用静力弹塑性分析方 法p u s h o v e r 作为近戳弱饕线瞧藐震分考跨方法。 稳成予般菲线性静力分析，p u s h o v e r 法是将设计反应谱；| 入了计算过程，搬据结构 在不同二【作阶段的周期求出水平力的大小，另一方面根据结构的振型燮化求得水平力的分和 。，然后对结构旖加里一定分布的单调递增的水平力，使结构的各杆件进入靼性，结构的特 性也随之发生变化，由此反过来调爨水平力的大小车| 1 分柱，这样反复调熬，壹至结构被“推” 至一个绘定豹嚣蠡位穆，藏达l 颈定携破坏获态，来分毫蓐蒺进人菲线尊妻状态的反瘦，鼠两判 断结构是否满足设计及使用功能的要求。 p u s h o v e r 一般基于两个假定： 1 ) 多自由度体系的厦惠可以简化为一个等价的单自由度体系的反应 2 ) 续稳受单一振型靛制，可忿旗簿裁型懿影响。 p u s h o v e r 能否对结构进行准确静分析取决于结构本身的计算模蘩，和采用的加载模式。 加载模式i 甄应反映地震作用下备结构层惯性力的分布特，征，又应使根据该分布方式所求得的 位移人体真实地反映地麓作用f 结构的位移状况。常用的加载模式有：均匀分布，倒二= 角分 布，抛物线分布，其中以豫三舞分布应髑最多。 对于缀动竣第一强甏为主，基奉璃潮在2 移戳巍豹结 龟，p u s h o v e r 方法藐够壤好缝待 计结构的熬体和局部弹塑性变形，同时也能揭示弹性设计中存在的隐患( 包括层屈服机制， s 鎏鲎茎兰登圭堂燕笙苎蔓二要兰i i l 过大变形以及强度，刚度究变麓) 。但对形状严藿不规则，受高搬型作州照糟的结构，p u s h o v e r 法则不适蹋。 1 2 3 。大跨缡构的动力特性 丈跨结稼出予其跨度大，囊霞穗对簸轻，瓣瑟英动力特瞧不瓣予一般落遴鳍稳，爨俸囊 魏露下： ， 矗 鼙 线搜 结构返动的儿何方稷描述了结构的位移平【l 应变之间的蓑系。一般情况下均假定结构 内位 穆为小量，其蕊除努量可赡去+ 褥到的k 俺方程楚线性酾。艇夫跨结构在穗鼗作用f 可畿出 琨大黪谊移，位穆弱商玲餐粼不链慧醛，这褥，t 簿方程藏藏为 线瞧方稳，簸终覆嚣缀瓣麓 g 疫与赘载拳平寄关，逡秘方瓣遣残巍l # 线! 塞方程。 几何非线性分析中一般采用有限位移理论，该理谂叉分为全l a g r a n g e 格式和修讵 1 a g r a n g e 格式两种，前者所有的静力学和遮渤学变鼍总是参考于初始俺嚣，即整个分析中 参考位鬟绦持不变，褥到翁缝秘涮建短羚往糕蹩溱阵；嚣蠢簸薅鼹骜力学秘运动学变鬃慧憝 参考子每萄裁斌潜润步酶嚣始翁垃譬，甥在糖个分辑过聪参考僚拦不断被燮耪，替瓤躺缩 翰阐凄短簿裢徒怒稀疏怒阵”，謦翦薪赣的斑蠲更为r 泛。 2 材料非线性 在强震下，结构构件鸯可8 进 塑性： 嚣阶段，材辩的斑宠应燮关系旗发现为嚣线性。 穗瓣夔象线缝般逶过後复力模型来表达。褒簸力摸蘩蔽浚了壤复力冬健移熬关系、臻稳躺 嚣菠帮强液瓣懑诧及嚣列藉g 瓣潮。在平嚣， 耩孛寒鲻豹窍c l o u 馥穰囊、蘸瓣壤擎，遮嚣个 模型的骨絮曲线都采崩了分段线性的形式，都考虑了结鹣i 在犍复运动中附刚艘退化，似斌田 模型的骨架曲线和结构的实际蠹形曲线较为棱：i 垃。 3 + 主要掰潮一齄鞋长 耨捷予蝥遴缝药，夫跨雏褥楚嚣菠赣案，蔽瘦程魏力特槛土，裁燕稿橡主要瘸期较长， 铡辩荚国嶷门轿的德商麓零髑期长达1 8 黔。弼目前规蒋厦惩谱长周段较短，我霄抗震溉藏 的反应谱周期为6 秒。 4 密带的频谶趣期 不鞠予蠹鼷缝擒，大跨结辖没有“磁”翁藏念，不德离露络翰那样，碰戮怒叠盎攫粮璐 圭熬集中茬务个“簇”。犬踌缮捻翁垂囊发 露分数，遮穗藏决定_ 犬踌络章 魏羲型嚣辩密 集，且育太最的髑部振型释程。大跨结构的遮动力特性导致了以下问题： i ) 由于大蹩局部振趔的存在，大跨结构擐型选取时，必颁注意选取足够的振掣。夫黪 续鞫嚣这毯爨帮摄型魏篱裁蕴谯鞍长，强暴没露选取跫够豁箍毯，枣荔等致鳖重要懿箍薅 攘登箍憨壤。 2 ) 盘予擐獭斡密集，大踌结构振型缀合时，必须考虑器攘型之间的糯仓，例如e 法， 而平时常阚的s r s s 法将可能产生较大的误蔫。 5 。 多维撼襞辩影响 不鞫予普惩巍凄建筑，在考虑逮鬟掺翔辩，主要考虑承乎缝霪豹澎蛹。在大跨结稳不鞠 方费翡照震( 毽疆竖两遗震) 弓 起觞喃慰蕊镪燕弱一鼗鬣缎麴。竖商遗鬟缝舔逡动的畿减铰 快，过去盼抗震设计往往不够照视。近年来，高烈度区的宏观震害和强缀记录，说明熙向地 糯运动及葵封建靛结构灼影响，有时魁相当可瓣盼，抗燃设计中要给予足够姆重裁。强翦， 潮， 抗震浚诗鼹藏要求考疼整淘穗震搏潮熬结稳蔑鞠箨霄：( 1 ) 毙蓉鹭貉稳+ ( 2 ) 大黔发结 稳，( 3 ) 舞簿缕褥霸较簿骢裹菇缝褥，( 珏糖是力凳h 妻懿续褥秘搏( 壤戢爨挂结搀) + ( 5 ) 瑚体结搦， 1 6 ，网壳以水平地 震为主，而矢跨1 ：l 7 ，网壳 以水平地震为主，而矢跨l l ；6 ，以竖向地震为主。文献 3 5 对斜拉网壳的研究表明，斜拉 穹项网克的竖向地震响应远比水平地震响应人。文献 3 3 对舣层双曲扭网壳的研究表明，双 层双曲扭网壳前9 个振型中有较多的水平振型，竖向和押转振型中，水平分革均较大。文献 4 1 对组合网架的研究表明，组合网架的低阶振型以竖向振型为主，前8 阶振型一般不会出 现水平振型。文献 4 5 对单层双曲抛物面网党的研究表明，单层双曲抛物面网壳随网壳矢高 的降低，水平地震内力系数最大值大大减小，竖向地震内力系数虽人值略有减小当矢高 比降低到一定程度时，水平与竖向地震内力系数接近。以上研究表明，人跨度结构在各方向 地震的特性受其本身外形的影响，一般而言，结构的矢高比越大，水平地震的影响越大，结 构的矢高比越小，竖向地震的影响越大；另外由丁大跨结构的复杂性，某方向的振犁往往 又含有很大的其他方向的分量。 6 非一致地震激励 地震动的两个基本性质是：随机性和空间变化性。地震动的空间变化性是指，地震波在 结构基础面上的传播要经历一定的时间，也就是说，在同一时刻，结构各支承点所承受的地 面运动是不同的。这一现象主要由以下三种效应组成： 1 ) 由于地震波非竖向传播过程中波列传播速度的有限性使得波到达不同位置时存在 相位差，即“行波效应”( w a v ep a s s a g ee f f e c t ) 2 ) 地震波在介质中的复杂的反射和折射加上震源本身的有限性导致波在不同支承位 置上叠加方式的差异产生“部分相干性损失( i n c o h e r e n c ee f f e c t ) ” 3 ) 不同支座处场地土的性质不同，而造成的局部场地效应( s i t er e s p o n s ee f f e cl ) 对于大多数结构往往可以忽略了地震动的空间变化这一特性，但是大跨度结构，由于其 跨越的距离太大，地震动空间变化性的影响就不能忽略，也就是必须考虑非一致地震激励的 问题。 非一致地震激励的一个典型实例是：阪神地震发生时，位于震中附近的日本明幽海峡火 桥刚挂好主缆，主粱尚未架设。震后发现，靠近神户一侧的主塔和锚台位置都没有发生改变， 而位于淡路岛一侧的主塔和锚台却分别向外移动了1 o m ，1 3 m 。 早在1 9 6 5 年，b o g d a n o f f 等人就首先注意到地震动传播过程的时滞效应对大跨结构的影 响。此后，关于非一致地震激励问题的研究，引起了学者们的普遍关注。欧洲规范是目前唯 一率先考虑了地震动空间变化性的规范。另外，也有个别研究证明，对带有减震装置的火跨 度结构，非一致地震激励效麻更不容忽视。但总的来说，目前关于t p - 致地震激励问题的研 究仍不够成熟，甚至对于某一具体工程，不同研究者的结论也差别很大“。 非一致地震激励问题的研究主要包括：地震动空间相干性的描述，建立合理的输入地震 动的空间变化模型；多支承运动加速度的模拟；结构在地震动空间变化下的地震响应计算： 多点强震观测以及作用的动力试验研究。 目前非一致地震激励的分析方法主要有：时程分析法，随机振动分析法，多支承激励反 应谱法。 对于时程分析法需要定义在不同支承处的地面加速度时程，一般有二种方法确定： 1 ) 选择与所在场地类型相似的场地上记录到的一组地酝运动加速度记录 2 ) 根据波源模型用弹性介质中的波动理论生成时间历程 3 ) 用随机振动理论模拟地面运动的时间历程。 7 同济大学硕上学位论文 第一章绪论 时程分析方法的主要缺点是，缺乏统计意义，其分析结果依赖于采崩的地震记录e 目翦时程 分析法多采用地震行波模型来模拟，该模犁认为地震波在地袭以一定的速度传播，只是存在 时潜滞囊帮摄辐衰躐，焉未考虑到备输入点频率戒分及波形的变傀。考虑菲一致姥震激融时， 结构动力方程的建立祁求解一般是采用p e n z i e n 法，将螭构的位移响应分为动力冁和拟静力 项，动力项由惯性引起，拟静力项豳各支点的伉移所致。引入影响矩陴，可用静力的方法求 出瓠静力谴移，磊稼静办位移求密丽，求解动力王噩的方程可纯为与一蕺激励运动方程稻同的 形式按与一致激励相劂的方法求解。结构的摄终反应为动力响应翘拟静力蝻虑之秘“。 随机振动法是熬于各支撑点地面运动的统计量基础上进行的，因而能得到结构响应的统 讨谯。当叠- 知箨支撑点的f 稻荚功率谱搿度醋数对，支撵点润韵互相关功率港函数和一个空 间蝴千函数来定义。这样就可以利用随桃振动理论米求褥结黝响鹿的功率谱密度。最近，l 年， 一些地震“ 程专家通过对s m a r t 网台阵记录数据的分析，提出了了许多理论上的空间牛h 于模 型，倒翔：h a r l c h a n d r a m v a n m a r c k e 禳犁，l o h 模型，a b r a h a m s o n 模型，n a k a m r n z 檬型等 等，这些模型都能体现地震动的空阀变化性鲍一些擐律，其中裁嬲秘形式癍蠲较多。采爝睫 机振动法的优点是能够提供结构响应在统计意义上的评估，而不受选择地震输入的影响。但 j j 三鲡蓠文新提劐的，随瓶振动法只淹给 结构响应的均方根值，因此结果的直观性不够。 客支承激麟反瘦谱法是假定已知务点的反应港来髂算对棼一致选震激麟俸羽下编辑最 凡响应的一种实用方法。虽然由于反应谱法本身的局限性，有时会产生较大误差，但由丁它 麓壹蕊简便往，仍熬被，“泛往用。实际上，由于反应谱本身也包括了域面运动的统计特性， 氍以妞果应照怜当，研以褥到秘燃基于功率谱密疫峨数鳃睫掇振巷方法求褥瓣斌栋精波靛续 果。此外，反应谱还包含了地谣运动的非平稳部分，冈此有时甚至优于基于严格平稳假定的 传统随机振动方法。茸前不少学者都在致力予反虑谱方法的改进，例如a d e rk i u r e g h i a n 导出的多支承激鼬 乍用f 的反应谱法，璁在称为撼s 黔法，这种方法能够较全瑟瑟考虑选震 动空间变化诸因素的影响，在考虑动力响应的同时也计及了拟静力响应和静动力耦台响 应，逛一方法目前已经在羡国的金门大桥进行了赢闱。一= | 三淑波博士基于虚拟激励原理提出的 t l o c 系列反应避组合方法，揪塌米考虑一致激弦，考瘩瑾想暂波输入戳及考虑任意相干激翩 等多种地震激励情况，并认为该系列方法能近似地考虑继构的非平稳震动效应。其它的还有 y a m a m u r a 和t a n a k a 的分组法，b e r r a h 和k a u s e l 提出的修正系数法等等。 弱兹芡于大跨发结款非一致激瓣姥震爱应熬磷究多集中于耩粱工磴方蔼，f 瑟篱述一下 人跨度拱桥非致激励地震反应特征。刘吉挫( 1 9 8 7 年) 系统地研究了行波效应对大跨度拱 桥迪震反应的影响。他认为，非一致激励使大跨度擞桥地震反应显著增大的原因并不是由于 燃静力褒的贡献，焉是由于对称振型在裴一蒙激裁下截搿了较走贡献，圆诧拱顶瀚肉力变纯 非常之大。另外，行波效成的大小不仅与波速有关，丽且和输入的波形，结构本身的动力特 性等有关。袁万城曾考察了行波效成对贵州江羿河桥的影响，结果媪示相位麓将使儿个控制 截嚣豹走力骥显增大，霹时地震动静多维分量( 主要据竖翔分鬟) 的澎晌穗不可忽旃。三釜俊杰 ( 1 9 9 5 年) 以宜宾南门大桥为工程背景，分析了考虑地震动空闻变化性对大跨发拱撬螅地震 反应，得到的主耍结论是：忽略地震动的空间变化性这一性质将导致对该桥地震反应的严重 低接。渡传导效瘫隧藉拱的柔性增大会愈来愈湿著；菇卦，掇静力羹献的太小每结构酌刚度 有关等。n a z m y 也曾对拱桥的三种形式系统地分析了! | # 线性，地震动输入模型等对缝构反应 的影响。指出对大跨度结构建立三维模型，考虑三向地震动的作用，及非线性静动力分析的 必要 ! 耋。文中遥提戮，与致激裔辅毙， 菲致澈励将使拱桥的穗震爱应明显藕大。除此 之外，1 9 9 2 年h o n g h a o 曾以某鲤弧拱结构为倒，探讨了相干性擐必对地震反应的影响，磅 究发现考虑部分相干性效应也会增大结构的反应。广州丫髻沙大桥抗震性能研究是同济大学 士本工程防灾国家重点实骏室承挺静辩醑顶西之，地震输入分稍考虑了一致激励，行波输 入( 取某一条波为基准，各输入点之间考虑相差一个相位) ，多点输入( 各点取袒避i l 位艇人 8 融济大学磺上学链论文 第一牵籀论 工波) 三种情况。研究表明，行波输入对桥代表最不利的输入方式。就主攻脚的轴力，剪力， 弯距而吉，行波输入下的反应分别是一致输入情况f 的1 3 2 ，1 。6 9 ，t 。7 6 倍，是多点输人 f 的1 + 6 2 ，1 。9 1 ，2 0 0 嵇。雯姊， 亍波散赢幢褥缀囱缝震囊谗溺f 主挟颈躲辅力攀j 驽距爨 显增大，并分析出这主鼹是对称振型f | 勺参与所致，验证了前面的观点。丽横向多点输入时的 情况则比较复杂，有些内力反应有所增加，有的则反而减小“。 综合e 述，大跨拱蟒1 一致激励地震反麻的研究波明，与一致激励相比，非一皴激励 f 拱撰的响瘫明显增大：建震反应的罐大主要是由于黠舔振鼙棱灌蒙。 1 3 本文工程背景和主要工作 鹜嚣，关于犬跨菠羧缭稳葫力方嚣| 冬黟 究，多集中予耩粱工i g 镶域，结擒形式多为钢管 混凝十。冈为在人们的认识中，象格构拽拱这样的钢络构自重轻，穗黻小，抗震性畿较好， 一般在动力分析中，多为风荷载起主导作用。但是口本兵库县南部人地震的震害调衢为人 们敲响了警钟。因此，本文将以常熟市体育场区看台为工程背景，详细分析大跨度格构式拱 靛魂力拳孥性； 1 3 1 工程背景 露熟泰律弯臻是鬻熬南傣啻中心貔主要缀成部分，疆周分走末、跨、毒、l l 疆个看台。 西看台主体结构为钢筋混凝土框桨体系，看台顶部设鹫太跨钢结构颓蓬，为大拱支撑的筚曲 抛物面钢桁架体系，西着台顶蓬为本文分析的重点。作为大跨度拱结构，西看台顶蓬有以下 特点： l ，线性体系：虽然怒大跨度结构，蜓是拱结构舆蠢趣好静霹度，缀或结构体系的均是 圆钢管，不存在“索”这样静菲线往零鬻明显翡萋元。圆貌，本文的韵力分辑，将以线性分 析为主。 2 跨度太：非一致激励地震反应的分析，将是本文的重点。 3 赣台的影响：不嗣予桥梁结构，疆看台顶蓬并非赢接支撑在基础上，而是支撵在看 台溢凝士绥构主。在棼一致激聚途震菠藏瓣分辑孛，本文将重点努辑鬈爨结憨靖】耍蓬凌力效 应的影响。 4 。主拱拱面倾斜：不同于常见的平面拱结构，本l ：释的主拱，与地面呈4 0 0 倾角。 1 3 。2 主要工作 应用软件：由于本结构为杆系结构，本文将采用大型绘图软件a u t o c a d 进行建模；采用 人型通用肖限元软件a n s y s 进行分析。 分摄方法：蔽摆蠢萋文瓣静动力分耩方法静论述，静力法由于其本努麓晟隈，毯曩经设 淘汰；p u s h o v e r 适合瑁于强动以第一箍黧为主的结构的粥塑性性分析， 搿本工程大跨编掏密 布的频谱阁期特性，显然不满足上述特点，而且本文并不涉及材料非线性的范畴。