（水工结构工程专业论文）大型渡槽结构抗震分析方法及其应用.pdf

大连理工大学博士学 奇论文 摘要 南水北调工程是为缓解我国西北和华北地区水资源缺乏而兴建的大型水利工程。渡槽 足南水北调工程中跨越河流和道路等的架空输水建筑物。在南水北调中线工程总干渠中， 大型渡槽交叉建筑物就有数十座，且大部分位于地震烈度为7 度以上的地区。这些建筑 物的抗震设计，对整个中线工程的安全和经济运行有着至关重要的影响。本论文对大型 渡槽结构抗震分析理论与应用进行了较详细的研究，主要完成了以下工作： 1 建立了考虑槽身和槽内水体流固耦合的渡槽薄壁结构梁段有限元动力分析模型。该模 型充分考虑到了渡槽槽身结构的横向、竖向、纵向、自由扭转和约束扭转变形等薄壁结 构特性，以及渡槽薄壁结构和水体之间的流固耦合动力相互作用；同时也考虑了支架变 形和橡胶支座对整体结构的影响。运用渡槽计算实例验证了模型的正确性。 2 提出了渡槽薄壁结构弹塑性多弹簧模型。该渡槽薄壁结构弹塑性多弹簧模型集渡槽薄 壁结构线弹性模型和非线性多弹簧模型为一体，并充分考虑了薄壁结构截面弯矩和轴向 变形对单元的动力特性影响，应用多弹簧等效关系模拟结构塑性铰区的非线性滞隧特性。 3 进行了渡槽槽身模型和支架模型在低周反复荷载作用下的拟静力抗震性能试验研究。 由试验得到荷载一位移滞回曲线；运用所建立的渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型模拟 计算拟静力加载过程并得到数值模拟的荷载位移滞回曲线。经比较说明，通过模型数 值计算得到的p 一滞回曲线与实测的滞回曲线吻合较好，从而验证渡槽薄壁结构弹塑性 动力分析模型的正确性。通过该数值分析模型对关帝庙大型渡槽结构的弹塑性地震响应 进行了分析计算。 4 开展对设置铅芯橡胶支座的大型渡槽非线性地震响应研究。铅芯橡胶支座具有较好的 非线性滞回特性，采用两种支座非线性模型( 双线性模型和w e n 模型) 来模拟铅芯橡胶 渡槽隔震支座的非线性滞回恢复力特性，对大型渡槽结构的空间地震响应进行研究。计 算结果说明铅芯橡胶支座具有较好的减、隔震效果。 5 推导了空间结构动态应力的最小余能法计算公式。实例验算表明，最小余能法所得到 大连理工大学博士学位论文 的动态应力的计算结果较常规有限元法的计算结果有明显改进，可用于大型渡槽的动应 力计算。 关键词：渡稽；流固耦合；弹塑性模型：动力建模；拟静力实验：隔震；动应力 h 大连理t 大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o j e c to f t r a n s p o r t i n gw a t e rf r o ms o u t ht on o r t hi sal a r g ew a t e rc o n s e r v a n c yw o r k s f o rr e l i e v i n gt h el a c ko f w a t e rr e s o u r c e so f n o r t h w e s ta n dn o r t hc h i n a r e g i o n s t h ea q u e d u c t o ft h ep r o j c o ti st h eo v e r h e a dw a t e rt r a n s p o r t i n gc o n s t r u c t i o nw h i c hs t r i d e sa c r o s sr i v e r sa n d r o a d s t h e r ea r eaf e wd o z e n so f l a r g e s c a l ea q u e d u c t si n t h em a i nc a n a lo ft h ep r o j e c ta n d m o s to fw h i c hl o c a t e si nt h er e g i o n sw h e r et h ee a r t h q u a k ei n t e n s i t yi sv l ld e g r e eo ro v e rv i i d e g r e e i ti si m p o r t a n tt o i n s u r et h es e i s m i cd e s i g ns e c u r i t ya n de c o n o m yu t i l i z eo ft h e c o n s t r u c t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h e o r ya n d a p p l i c a t i o no f s e i s m i ca n a l y s i sf o rl a r g e s c a l e a q u e d u c t i ss t u d i e di nd e t a i l sa n dt h em o s t l yi n c l u d e ss e v e r a ls t u d i e sb e l o w 1 t h es e i s m i cr e s p o n s e a n a l y s i s m o d e lo ft h i nw a l l s p a c ea q u e d u c tw i t l l f l u i d s t r u c t u r e c o u p l i n g i se s t a b l i s h e d i nt h i s m o d e l ，t r a n s v e r s ed e f o r m a t i o n , v e r t i c a ld e f o r m a t i o n ， l o n g i t u d i n a ld e f o r m a t i o n ，f r e e t o r s i o n d e f o r m a t i o n , c o n s t r a i n e dt o r s i o n d e f o r m a t i o na n d f l u i d s t r u c t u r ec o u p l i n gb e t w e e n a q u e d u c ta n d w a t e rb o d ya r ea l lt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h e b r a c k e td i s t o r t i o na n dt h ei n f l u e n c eo fr u b b e rb e a r i n ga r ea l s oc o n s i d e r e d t h em o d e li s v e r i f i e db yt h er e s u l t so f n u m e n c a lc a l c u l a t i o ne x a m p l e so f a q u e d u c t 2 t h ee l a s t i c p l a s t i ca n a l y s i sm o d e lo ft h i nw a l ls p a c ea q u e d u c tw i m m u l t i p l es p r i n g s i s p r e s e n t e d t h ee l a s t i c - p l a s t i cm o d e li sc o m p o s e do f t h ee l a s t i cm o d e lo fa q u e d u c ta n dt h e n o n l i n e a r m u l t i p l es p r i n g m o d e l t h ei n f l u e n c eo fd y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c 、n t l ls e c t i o n m o m e n ta n da x i a ld i s t o r t i o ni st a k e ni n t oa c c o u n t t h en o n l i n e a r h y s t e r e t i cc h a r a c t e r i s t i co f t h e p l a s t i cz o n e i ss i m u l a t e d b y t h ee q u i v a l e n tr e l a t i o n s h i po f t h es p r i n g s 3 t h eq u a s i s t a t i cs e i s m i c - r e s i s t a n c ee x p e r i m e n to fa q u e d u c ta n da q u e d u c tb r a c es p e c i m e n s h a sb e e nc a r r i e do u tu n d e rl o wc y c l el a t e r a ll o a d i n g t h el o a d - d i s p l a c e m e n th y s t e r e t i cl o o p c u r v ei so b t a i n e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i v eh y s t e r e t i cl o o pc u r v ei so b t a i n e db yu s eo ft h e e l a s t i c - p l a s t i ca n a l y s i sm o d e lo f t h i nw a l ls p a c ea q u e d u c t 诵t hm u l t i p l es p r i n g s a c c o r d i n gt o t h e c o m p a r i s o n , t h e n u m e r i c a lc a l c u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s a g r e e w e l l s ot h e e l a s t i c p l a s t i cs p a c ea q u e d u c tm o d e li sv e r i f i e da n d t h ee l a s t i c - p l a s t i ce a r t h q u a k er e s p o n s eo f g u a nd im i a o l a r g e s c a l ea q u e d u c ti sc a l c u l a t e db y u s eo f t h en u m e r i c a la n a l y s i sm o d e l 4 t h en o n l i n e a re a r t h q u a k er e s p o n s eo i l a r g e s c a l ea q u e d u c tw i t ht h el e a dr u b b e rb e a t i n gi s s t u d i e d t h el e a dr u b b e rb e a r i n gh a sg o o dn o n l i n e a rh y s t e r e t i cc h a r a c t e r i s t i c b yu s eo ft w o 1 1 i 夫连理工大学博士学位论文 n o n l i n e a r b e a r i n gm o d e l s ( d o u b l e l i n e a rm o d e la n dw e nm o d e l ) t os i m u l a t en o n l i n e a r h y s t e r e t i cr e s i l i e n c ec h a r a c t e r i s t i c ，t h el a r g e s c a l ea q u e d u c te a r t h q u a k er e s p o n s ei s c a l c u l a t e d ， t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el e a dr u b b e rb e a r i n gh a sg o o di s o l a t i o ne f f e c t 5 t h em i n i m u m r e m a i n d e r - e n e r g ym e t h o d f o rd y n a m i cs t r e s sc a l c u l a t i o no f s p a c es t r u c t m 。ei s p r e s e n t e d c o m p a r e dw i t ht h ec a l c u l a t i o n r e s u l to fn o r m a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ed y n a m i c s t r e s sb a s e do nt h ep r i n c i p i eo f m i n i m u mr e m a i n d e r - e n e r g yi si m p r o v e dr e m a r k a b l y a n d i tc a l l b eu s e di nd y n a m i cs t r e s sc a l c u l a t i o no fl a r g e - s c a l ea q u e d u c t k e y w o r d s ：a q u e d u c t ；f l u i d - s t r u c t u r ec o u p l i n g ；e l a s t i c - p l a s t i cm o d e l ；m o d e l f o r d y n a m i c a n a l y s i s ；q u a s i - s t a t i ct e s t ；i s o l a t i o n ；d y n a m i c a ls l r e s s i v 大连理 人学1 尊：b 学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 中国水资源总量约2 8 1 0 ”m 3 ，居世界第6 位，但人均占有量仅为世界平均数的l 4 ， 在世界排列第8 8 位，属缺水国家。同时，全国水资源分布很不均衡，长江流域及其以 商河流的径流量占全国的8 0 以上，耕地面积不到全国的4 0 ，属富水区；而黄河、 淮河、海河3 大流域和西北内陆的面积占全国5 0 ，耕地占4 5 ，人口占3 6 ，水资 源总量只有全国的1 2 ，属缺水区。西北和华北土地、矿产资源丰富，是中国能源和 粮棉油的生产基地，在国民经济中有重要的战略地位，尤其黄、淮、海平原和胶东半岛 是我国人v 1 密集、耕地率高、经济发达的地区，目前水资源缺乏已成为经济发展的制约 因素，并造成生态环境恶化，急待调水解决。 联合国水资源委员会早在1 9 7 7 年就向各国发出警告：“供水不足将成为一个深刻的 社会危机；石油危机之后的下一个危机就是水的危机。”全世界有1 0 0 多个国家缺水， 近l 3 的人口缺乏卫生水源，这种情况在城市和工业区更为严重；全世界用水量以每年 4 的速度递增，水资源不足己严重影响了人类生存和社会发展。2 0 0 2 年中国水资源公 报表明 1 l ：2 0 0 2 年全国水资源总量为2 8 2 6 1 x 1 0 ”n 1 3 ，比常年偏多2 9 ；从地区分布上 看南方和西北部内陆河地区水量比常年偏多，北方地区水量比常年偏少：其中山东、天 津、北京、河北、辽宁等省( 直辖市) 严重干旱，降水量比常年偏少2 5 4 5 ，径流量 比常年偏少6 0 8 0 ；海河流域已连续6 年、辽河和黄河流域已连续4 年发生予旱， 由此可以看出：我国水资源在时空和地域上分布都不均匀，地域上南多北少，时空上年 际变化大。 建国5 0 多年来，水利建设虽然取得了显著成就，但中国水利面临的形式仍然十分 严峻：一是洪涝和干早灾害频繁；二是水资源严重短缺；三是水污染与水环境日趋恶化、 水土流失严重【2 j 。随着经济社会的发展，我国未来水问题将更加严峻和复杂，在很多地 区和许多领域，水问题已成了制约经济发展的瓶颈，这在我国北方地区表现的尤为严重。 以首都北京为例：北京人均水资源量不足3 0 0 m 3 ，仅为全国的1 ，8 ，世界的1 3 0 ，属重 度缺水地区，是世界上最严重缺水的大城市之一。同时北京地区水资源开发利用已接近 极限，虽然北京现在用水基本平衡，但这种表面平衡是以牺牲生态环境和制约发展为代 价的。在我国北方天津、河北、山东等省市与北京面临着同样的水问题。为从根本上缓 解我国北方地区严重缺水的局面，我国决定兴建南水北调大型水利工程，其中东、中线 工程现已开工建设，西线工程已列入发展计划，进入初步设计阶段。 第一章绪论 南水北调的主要功能是改变水资源在时空j 二的自然分布，使之适应社会生产和生 活需要，南水北调大型水利工程是我国优化水资源配置的重要国民经济基础性措施。南 水北调工程兼有跨流域、跨省市、长距离、大流量的性质，因此规模庞大，社会关系复 杂，建设上有相当难度，而一旦实施将可获得巨大的经济、生态和社会效益口 。 众所周知，我国是一个多地震国家，根据历史记载，几乎各省都曾发生过破坏性地 震。2 0 世纪全世界发生的7 级以上的强烈地震中，中国大陆就占3 5 ，有3 次震级为 8 5 级以上的巨大地震发生在中国大陆，所以，我国是世界上地震灾害最为严重的国家 之一。以南水北调中线工程而言，按照2 0 0 1 年8 月最新颁布的中国地震动参数区划图， 作初步统计的结果表明，以相应于基本地震烈度的5 0 年超越概率1 0 计，工程位于i 度区的峰值加速度在o i g 以上者，中线工程占5 9 ，其中位于峰值加速度o ，2 9 以上的 高地震烈度区，中线工程占8 。因此，南水北调工程中的抗震问题是十分突出的”l 。 南水北调中线工程全长1 2 6 7 k m ，跨越大小河流1 6 0 余条，整个工程中的各类交叉 建筑物达1 8 8 多座。渡槽是跨越河流、道路、山谷等的架空输水建筑物。在南水北调中 线工程总干渠中，大型渡槽交叉建筑物就有数l o 座，且大部分位于地震烈度为7 度以 上的地区，有的还在地震高发区，这些建筑物的抗震设计，对整个中线工程的安全和经 济运行有着至关重要的影响。一旦某个重要环节遭受震害损坏，全线输水即告中断，且 中线工程沿线缺乏调蓄工程，所经地区是我国人口稠密、经济较发达地区，邻近京九、 京广铁路干线，可能导致严重的地震次生灾害1 4 1 。因此，如何确保大型渡槽在地震作用 f 的安全，是关系到国计民生的重大问题。因此，开展大型渡槽结构地震反应分析理论 的研究具有重要的现实意义，本文正是在此背景下开展研究的。 1 2 国内外研究现状概述 渡槽结构是一类重要的水工建筑物，无论采用何种结构支承形式都具有顶部大重 量的特点，对抗震防灾是很不利的。我国原水工建筑物抗震设计规范 5 1 ( sdj1 ( 卜一7 8 ) 编制说明中指出：“渡槽等水工建筑物，由于缺少动力特性资料及实际运用经验，还不 能在本规范中概括，有待于进一步积累资料，于今后修订时逐步补充。”但其后颁 布的新规澍刨( dl 5 0 7 3 - - 1 9 9 7 ) 中仍未提及，致使我国渡槽抗震设计无所遵循。 国外近些年来修建的大型输水工程较少，对大型渡槽结构的研究文献不多，所能查 到的相关研究文献集中在渡槽结构选型、优化设计、模型试验和防渗修复等方两f 7 j _ j j ， 而有关渡槽动力分析与抗震计算方面的文献报道极少。由于水工结构的特殊性，国内以 前对于渡槽这种输水建筑物的试验及理论分析较少，且对于渡槽结构的研究也主重集中 在渡槽结构类型的选择、优化设计、施工技术等方面旧【那j ，随着南水北调西线工程的 2 人连理工大学博士学位论文 立项和南水北调东、中线工程的相继开工建设，渡槽结构的抗震问题已经成为南水北调 ：程一项至关重要的关键技术问题，近年来有一批学者作了渡横动力建模、支座减隔震、 流吲耦合以及动静力抗震分析等相关方面的研究工作口i j - i 圳。综合国内外近年来的研究 成果和文献可以看出，试验研究多为渡槽静力试验或渡槽减、隔震支座的动力试验，针 对渡槽槽身和支架模型的抗震试验很少：理论研究模型一般集中在线弹性动力模型，尚 未建立相应的弹塑性动力分析模型来对强震下的渡槽薄壁结构进行弹塑性动力分析。下 面就与本文研究工作相关的国内外研究成果进行综述。 1 2 1 渡槽薄壁结构考虑流固耦合的动力建模研究 地震时，输水建筑结构与水体的动力相互作用是水工抗震分析中的重要问题。由于 水体的质量和形态的变化，结构的动力响应将发生显著的变化，且这种变化在某些情况 下对结构安全不利，例如会增大结构的动位移和动应力等。人们虽然对挡水结构与水体 的动力相互作用进行过大量研究，但对像渡槽这样的输水结构与水的动力相互作用问题 研究较少。以往的计算模型通常是将渡槽槽身看成实心杆件进行简化计算，没有考虑渡 槽薄壁结构的弯扭耦合变形等特点以及流一固耦合问题，有的研究即使考虑了水体的影 响，也只是将水体的质量固结于渡槽槽身上而忽略了流体一结构的动力相互作用影响 2 6 1 1 ”1 ，从而造成较大的计算误差。流一固相互作用问题是一个较复杂的问题，有些学者 研究了流体的非线性晃动 2 7 - 3 2 】，但也基本上属于二维平面分析，不便进行大型渡槽的三 维空间分析计算：文献 3 1 】进行了单跨渡槽的空间非线性晃动波高计算，但计算单元划 分过多，这势必造成计算时间和计算成本的成倍提高，进而在进行大型多跨渡槽结构的 弹塑性地震响应时程分析时，过多的单元将会给计算造成困难。 文献【2 l 卜【2 3 】通过对一高墩渡槽( 柔性墩渡槽) 横槽方向水平地震反应的研究表明： 水体的晃荡作用有明显的t l d 效应，能够有效地减小渡槽的地震反应：若将水体视为刚 体，质量全部加到槽体上，严重地夸大了水的地震惯性力的作用，是不合适的；设置橡胶 支座具有明显的t m d 减震作用。文献 2 4 2 5 1 应用流体的势流理论及梁的振动方程，分 析了大型渡槽承重结构的竖向流固自振频率及地震动力反应，分析结果表明，渡槽承藿 结构由于大量附连水质量的作用，其自振频率大幅度下降：即使结构抗震设防烈度不高， 竖向地震作用对承重结构也具有较大影响。文献【2 6 】建立了考虑槽身与水相互作用的渡 槽有限元动力分析方程，当不考虑水体的压缩性时，可将水的作用视作为作用在槽身内 壁的附加质量，从而导出了求解渡槽自振特性的简化分析方法。文献【2 7 】利用弹性体与 流体位移运动方程的相似性，将弹性体有限元模式直接用于流体有限元计算，使得整个 渡槽流一固耦合系统具有统一的有限元计算模式。 第一章绪论 文献 2 8 、2 9 应用边界元法计算了强震下流体的非线性晃动及其对槽身的水平力及 翻转力矩的影响，将所得数值结果与线性解析方法( 或h o y “；t l e r 方法) 的计算结果作了比 较。结果表明：当振幅较小时，按非线性边界元法计算所得结果与线性结果吻合良好i 如 图1 1 ) ：当强震下液体振幅增大时，非线性模型与线性模型的结果在总趋势及作用力 方向上大体相同，在预测流体波高反应时，线性解一般低估_ 波高幅度；在预测流体对 槽身的作用时，线性解与边界元( 非线性) 解在整个时域上有所不同，但线性理论通常能 合理地估计对槽身作用的最大值，与边界元( 非线性) 解极为接近( 如图1 2 ) 。于是对于 小震，应用线性解法( 或h o u s n e r 方法) 可以给出较准确的结构反应值；而对于强震，应 用线性解( 或h o w n e r 方法) 也能够给出诸如结构内力数值范围、地震反应的趋势，以及 对大型渡槽的抗震设计有参考价值的数据资料等。 一 tr 图1 1 调幅后e 1 一c e n t r o ( n _ s ) 地震波作用下的波高反应 f i g 1 1w a v e h e i g h t u n d e r e i - c e n t r o ( n - s ) e a r t h q u a k ea f t e r a m p l i t u d e m o d u l a t i o n 图1 2 强震下流体在e 1 一c e n t r o ( n - s ) 地震作用下对槽身左下角的翻转力矩 f i g 1 ，2o v e r - t u r n i n gm o m e n t a tl e i tc o r n e ro f a q u e d u c t u n d e re i - c e n t r o ( n s ) s t r o n gm o t i o n 文献 3 1 、3 2 把任意拉格朗日一欧拉( a l e ) 方法用于分析大型矩形渡槽结构一水耦 台体动力性能，并针对不同的水位、不同截面深宽比，研究渡槽结构在谐波激励、地震 激励下的水体非线性振动反应；文献 3 2 1 的算例表明，对于大型高墩渡槽，在强震作用下 4 l；m一一蝴蝴蝴 人连理工大学博士学位论文 的非线性晃动波幅并不是很大。文献 3 3 币f l 用拉氏乘子法给出了流体与崮体接触面上 种接触约束单元，将流体与固体动力耦合内力作为基本未知量，使流体域与固体域有机 地联系成一整体，从而实现了流体一固体动力耦台系统的统一分析。文献1 3 7 将储液容 器流固耦合系统中的液体和容器分别视为理想可压缩流体和线弹性固体，采用流体压力 单元和固体壳单元对流固耦合系统进行有限元分析，运用a m o l d i 方法求解得到大型有 限元方程的非对称特征值问题。 文献【2 l 、2 8 1 采用h o u s n e r 模型建立了单墩渡槽流固耦合平面分析模型并进行了地 震下的响应计算，得出了一些有益结论。渡槽结构是一种开口薄壁结构，有其薄壁结构 圃有的特性，经文献查阅，尚未发现有学者将渡槽薄壁结构梁段有限单元与t t o u s n e r 模型结合来进行三维空间地震响应分析计算的报道。渡槽薄壁结构梁段有限元能较全面 地考虑薄壁结构的受力变形特性。4 1 ( 如横向弯扭耦合振动、约束扭转纵向翘曲变形等) ， 模型建立方便易行，由于单元较少，计算速度快捷，计算结果较为精确，是研究渡槽 薄壁结构地震响应分析较理想的模型之一：将其与h o u s n c r 模型结合，能较好地分析槽 内水体流固耦合对渡槽整体结构的影响。 流一固动力相互作用问题是一个较复杂的问题，鉴于目前流固耦合的非线性晃动研 究基本还局限在二维平面分析1 2 8 - 3 3 1 ，特其进步推广到三维进行大型多跨渡槽的空润动 力分析尚有一定距离和相当难度，故建立能考虑水体线性晃动的大型渡槽的空间动力分 析模型并进行大型渡槽的空间模态计算和地震响应时程分析是很有必要的。 1 2 。2 结构非线性地震响应分析 我国建筑抗震规范对建筑物抗震设防的目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒。” 这事实上就是要求构件在塑性阶段工作时，必须达到一定的延性要求。结构在遇到强震 时，会进入塑性阶段工作，这时需要结构利用自身的塑性变形能力去耗散地震能量，这 就要求结构不仅要有足够的强度，同时也要有较好的延性。 到目前为止，进行结构抗震设计的反应谱理论还仅限于线弹性范围，尚束有真正意 义上的弹塑性反应谱曲线，设计过程仍然是静态方程，即以强度破坏为准则。而这也往 往会给设计者造成一种错觉，即只要增加结构的强度即可提高结构的抗震能力，无须考 虑结构的延性。另外反应谱理论无法反映许多实际复杂因素( 例如大跨度结构地震输入 相位差；结构进入非线性后的响应；非线性隔震支座影响等) 。近些年来，随着强震记 录的增多，地震波不但数量大有增加，而且还包括了不同场地特性、近震和远震的影响 等1 “。随着现代计算机技术的不断提高，为发展直接求解结构在强震作用下的动态时 程响应提供了有力的保障。动力时程分析法可以考虑各种不同因素，使结构抗震计算结 第一章绪论 果更加符合实际震害现象：其次，由于发展了动力时程分析方法，使渡槽的抗震计算从 单一的强度保证转入强度、延性的双重保证，使结构工程师更加清楚结构地震动力破坏 的机理和正确提高结构抗震能力的途径，为发展二阶段结构抗震计算提供有力工具。 大型渡槽结构的非线性可分为材料非线性( 又可称为物理非线性或弹塑性) 和几何 非线性两种。一般情况下结构的几何非线性可通过考虑所谓的p a 效应( 即由于重力作 用和水平位移相互影响而产生的结构附加反应，仅考虑初应力矩阵) 来进行。在结构非线 性地震反应的计算理论研究方面，倍受关注的是结构的弹塑性分析，这不仅是因为相对 于几何非线性而言，结构的弹塑性性能对于结构的抗震性能影响较大，而且更由于结构 弹塑性问题的复杂性。 鉴于渡槽结构与桥梁结构的相似性以及结构非线性地震响应分析方法的通用性，以 下就渡槽、桥梁和建筑结构的非线性地震响应分析研究进展统综述。在大型渡槽结构 或大跨度桥梁的弹塑性地震响应分析力学建模时，将结构简化为杆系结构是合理的，| 司 时对计算而言也是非常经济的。模拟三维杆件弹塑性行为的模型主要有：( 1 ) 塑性力学模 型；( 2 ) 纤维模型；( 3 ) 弹簧模型。塑性力学模型认为杆端的变形由弹性和塑性两部分组 成，其中，塑性变形与杆端力的关系遵循塑性力学的硬化规则和流动法则，并结合空间 杆件之截面的恢复力模型来确定，非弹性性能是整个截面的一种性能。该模型需要根据 受力情况预先计算出截面的单轴弯曲开裂弯矩、屈服弯矩等，计算中难以考虑轴力变化 的影响，在反复荷载作用下，当构件的截面不对称或配筋不对称( 如t 形截面等) 时，计 算中很难处理，精度也稍差。纾维模型假定杆件由一系列平行于轴线的“纤维”组成， 每条纤维轴向的应力一应交关系遵循单轴拉压的变形规律，构件变形符合平截面假定。 该模型计算结果精确，概念明了，能较精确有效地考虑轴向变形与双轴弯曲的耦合作用， 适合于任何截面和任何配筋的情况，缺点是计算量过大。弹簧模型实际上是纤维模型的 约简形式，其将断面的弹塑性性能用若干混凝土、钢筋弹簧来模拟，以“单轴屈服弯矩 相等”的原则来确定弹簧的位置等参数，该模型在一定范围内能较精确地反映空间混凝 土构件的塑性变形性能。 多弹簧模型是s s l a i 提出的( 1 9 8 4 ) e 4 2 1 1 4 3 1 ，该模型假设构件的非线性行为集中在构件 两端的非线性单元上，这一模型用4 个角部弹簧来模拟钢筋和混凝土的刚度，用个核 心弹簧来模拟柱核心受压钢筋混凝土的刚度( 如图1 3 所示) 。多弹簧模型的关键技术是 确定杆端弹簧的等效弹簧参数，m 氏弹簧模型中的弹簧常数需要利用截面的平衡条件 和弯矩与轴力的相关关系来确定。1 9 9 3 年由k n l i 提出了改进的弹簧模型【删，弹簧参数 需截面几何和材料性质确定。但无论是l 蔚氏还是l i 氏多弹簧模型，各弹簧的滞回特性 大连理1 一大学博士学位论文 仍有待于作进一步研究。 ( a ) 图1 3s s + l a i 并联弹簧模型 f i g 1 3 p a r a l l e lc o n n e c t i o ns p r i n gm o d e l o f s s l a i 文献 4 5 1 通过9 片钢筋混凝土剪力墙的拟静力试验，验证了所提出的钢筋混凝土剪 力墙的多弹簧宏观有限元模型正确性，并通过比较得出了不同轴压比和不同剪跨比的剪 力墙的破坏形态、破坏程度和滞回曲线形状等。 文献 4 6 1 给出了一种考虑双向弯曲耦合和轴力变化的弹塑性分析法，该方法根据弹 性状态下曲率分布来近似确定钢筋混凝土柱塑性变形后的曲率，提高了计算效率并保证 了精度，但由于将混凝土应力应变曲线进行了线性化处理，导致计算结果滞回曲线捏 拢现象比实验结果更为明显。m n a y d m n o g l u 等 4 7 - 4 9 1 用考虑j p 一效应的多线性模型分 析单自由度弹塑性地震响应，并将在e l c c n t r o 地震波下的动力响应时程曲线与 p e a k o h e n t e d 模型( c l o u g h d o h n s t o h 模型) 进行了比较。c a m a d i o h 】等对单自由度系统 应用3 种非线性滞回模型进行g 2 波下动力分析。l i m i ns u n 等【5 2 i - 5 q 建立了模拟桥梁结 构桥墩底部塑性铰的非线性和倒塌破坏的l a t t i c e 模型。c e c e o l i c ，m a z z o t t i c 等5 7 】【6 叫建 立了考虑钢筋混凝土单元和高阻尼橡胶支座的滞回模型，并将其应用于基础隔震的平面 钢筋混凝土框架结构的抗震分析中，经计算比较发现，经隔震之后平面框架粱、柱关键 部位截面弯矩内力大大减小。x _ h f l f e rk o n g o l i l 6 t l - 1 6 3 1 用层间转动及剪切非线性弹簧系列模 拟钢筋混凝土层间框架联结，框架结构质量集中在各层平面，其中非线性弹簧及墙的弯 曲滞回用t a k e d a 滞回模型：墙的剪切滞回用v o l t e n a s 滞回模型。m a r i ae t e n ap c r d o m o 等 6 q 6 6 1 采用分段模型来计算梁柱单元的非线性特性矩阵，并对梁柱结构进行常轴力和变 轴力下的非线性动力滞回特性研究比较。n i c o l a el i e 咿j 提出了循环加载钢筋混凝土减力墙 的非线性模型；a m h a l a b i o n 等卿】f 6 9 1 建立了非线性钢筋混凝土结构的退化三线性滞回 模型，在同时考虑土一结构相互作用的前提下，分析计算电视塔的地震时程特性。文献 7 0 1 对电子通讯塔进行线性和非线性动力特性和动力时程响应分析比较，结果表明：建 7 盟 l 第一章绪论 筑物高层的加速度和位移时程均较基底具有明显的放大效应。文献 7 1 1 建立三维多层结 构非线性模型来计算多层建筑的非线性变形。文献【7 2 】提出了钢筋混凝土框架短柱的恢 复力模型，并对构件的荷载位移滞回曲线进行了理论讨算。文献 7 3 、7 4 研究开发了结 构三维弹塑性分析方法并且在建筑物震害研究中加以应用。 文献 7 5 】给出一种分析钢筋混凝梁非线性弯曲变形特性的方法并应用于普通和高 强混凝土梁。文献【7 6 】建立了具有伸缩节点的5 跨连续桥梁二维动力分析模型，桥墩塑 性铰区采用弯矩一曲率双线性模型，伸缩节点采用间隙元的非线性模型，并对其进行了 纵向地震激励计算。文献【7 7 】建立了考虑桩一土相互作用的三维桥梁结构非线性动力分 析模型并进行地震时程计算分析。文献【7 8 】提出了一种适合用于混凝土动力计算的弹塑 性损伤模型，并用该模型进行混凝土单向加载以及加卸载试验比较，结果符合良好， 文献【7 9 研究了双向弯曲与轴向力下钢筋混凝土梁的滞回宏观模型。文献 8 0 】分别用 线性静力和动力反应谱方法对1 9 9 9 年i s m i t 地震中的钢筋混凝土烟筒的倒塌进行分析。 文献【8 l 】弹塑性梁的塑性铰区分别用弯曲和剪切非线性弹簧模拟并进行了数值试验比 较。 文献【8 2 】考虑了混凝土的裂面效应，采用符合纤维模型假定的线性空间梁单元来模 拟塑性铰区的弹塑性行为，用杆系一弹性楼层模型对结构进行计算，该线性梁单元具有 很好的收敛性，并能在应力一应变关系层次上直接考虑轴向变形、双轴弯陆的耦合作用。 文献( 8 3 】通过1 4 根钢筋混凝土短柱实验，研究了在不同弯曲、扭转组合搭配下的非 线性滞回性质。文献【8 4 j 提出等效钢筋混凝模型( e r c 模型) 来模拟剪力墙的抗震性 能，结构试验验证了该模型正确性。文献【8 5 】通过拟静力试验研究空腹式钢筋混凝土组 合柱在弯扭组合荷载下的内力及延性性质。文献【8 6 】采用模型实验方式对带有加固节点 的薄板结构的非线性地震时程响应和频谱动力特性开展研究。文献 8 7 】建立了非线性结 构动力响应计算方法并进行了时程分析。文献【8 8 】提出一种新型抗震剪力墙结构，论文 作者应用弹塑性时程分析方法对该结构在e l c e n t r o 地震波( 调幅范围0 2 9 1 7 7 9 ) 下 的动力响应进行计算，并将结果同模型试验进行了比较。 文献 8 9 1 进行了6 个核心混凝土的钢管高强混凝士压弯构件滞回性能的试验研究， 将理论分析和本试验研究及其他试验研究结果进行了对比。文献 9 0 、9 1 研究了部分预 应力混凝土柱在大变形情况多次重复载荷作用下的力学性能，给出了数值分析方法并 对其破坏过程、荷载一位移关系滞回曲线等进行研究。文献【9 2 】进行预应力高性能混凝 土粱的低周反复荷载试验，对其破坏形态、滞回曲线、延性、耗能能力、刚度退化、变 形恢复能力等抗震性能进行了较为深入的研究。文献1 9 3 对不同配筋率的1 5 根无粘结 大连理工人学博七学位论文 部分预应力混凝土梁进行了低周反复荷载试验。 a y m a na s h a i l l a l 【9 4 】通过拟静力滞回试验验证木组合框架结构非线性模型的i e 确 性，同时说明木组合框架结构具有相当的强度和变形能力。文献f 9 5 】进行了根据规范设 计的三片联肢剪力墙的低周反复荷载试验，讨论了恢复力模型的形式，并提出一种可 以反映墙肢中性轴的移动和连梁的包含弯曲、剪切和滑移各种变形在内的计算模型， 该模型用于理论分析。文献0 6 1 进行了两榀不等跨异型柱边框架低周反复荷载试验研 究。文献 9 7 9 8 1 对普通钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构在单调荷载及低周反复荷 载下的受力全过程进行了模拟分析。 从以上的文献综述可以看出，结构非线性地震响应分析还没有公认的统一方法， 所以对大型渡槽结构的非线性地震响应分析还需开展研究。 1 2 3 隔震耗能减振技术 传统的结构抗震设计是依靠增加结构自身的强度、变形能力来抗震的，尽管通过适 当选择塑性铰位置和细部构造设计可以防止结构的倒塌，但结构构件的损伤是不可避免 的。与延性抗震设计相比，减隔震设计可以减小结构所受内力从而保护结构免受地震破 坏，提高结构的安全性，避免结构破坏后的修复困难。 渡槽是南水北调中线工程总干渠上应用较多的一种交叉建筑物，对其进行地震响 应分析与隔震耗能减振措施研究是此二 程的重要课题，同时也为隔震耗能减振技术在水 利工程中的应用开辟了新的领域，虽然隔震与耗能减振技术在建筑结构和桥梁结构 工程中已有应用，但应用于渡槽结构还处于起步阶段。 二十多年来，橡胶支座( 包括盆式橡胶支座和铅芯橡胶支座) 在桥梁工程中已得到 了广泛的应用【9 ”。文献【2 2 】以在槽墩与上部结构之间设置了两类支座普通叠层橡胶支 座( 线性刚度) 、叠层橡胶聚四氟乙烯叠层滑板支座( t p 线性目0 度) 的梁式渡槽为对象， 采用非线性时程分析法研究水平地震作用，结果表明，设置橡胶支座对渡槽结构的地震 响应有明显的控制作用，对渡槽设计有一定的参考价值。 在桥梁中采用减隔震支座可以延长结构自振周期和耗散地震能量，从而减轻地震对 下部结构的作用，所以，减隔震技术应用在桥梁结构中，可以显著提高结构在遭遇地震 时的安全性，减轻结构破坏【1 0 0 ) 。y e n - p ow a n 岛l a p - l o ic h u n g 等f 1 0 2 】【1 0 3 1 提出考虑滑动支座 非线性的桥梁动力方程求解方法，并有效地进行了三跨连续梁桥的地震响应时程分析计 算，计算结果说明桥梁支座隔震可大大减小桥墩的内力。文献 1 0 4 研究了减隔震技术对 提高桥梁结构抗震安全性的作用，采用有限元非线性动力分析程序，对设置板式橡胶支 座、铅芯橡胶支座的桥梁结构进行了非线性时程分析，分析中考虑了桥梁结构与减隔震 第一章绪论 支座的非线性特性，结果表明铅芯橡胶支座较板式橡胶支座具有较好的抗震性能。文献 【1 0 5 1 1 1 0 6 1 介绍了所研制的新型减震橡胶支座及其滞回阻尼性能，用非线性地震反应分 析程序( n s r a p ) 对装有橡胶支座多跨连续梁桥进行了纵桥向非线性地震反应分析。文献 f 1 0 7 1 对于桥梁结构的隔震、耗能装置采用w e n 所提出的微分型恢复力模式，结合 w i l s o n o 法和4 阶r ”n g e k u t t a 法推导出桥梁隔震体系非线性地震反应计算公式，分析 了这些隔震、耗能装置对于连续梁桥的隔震作用。文献 1 0 8 采用有限元程序分析了减 ( 隔) 震铁路简支梁桥的地震反应特点，隔震支座采用铅芯橡胶支座( l r b ) ，计算结果说 明，采用减( 隔) 震支座后除桥身的位移反应外，桥梁结构的内力和位移都大为降低，改 善了桥梁结构的受力情况。k e r il r y a n ，a n i ! k c h o p r a l l 0 9 1 1 1 0 j 应用刚塑性模型来模拟 支座的非线性滞回特性。 黄建文 1 1 1 应用双线性恢复力模型和基于b o u c w e n 滞回模型的连续恢复力模型，分 别模拟多层框架结构带柔性隔震层的滞回特性，与求解运动微分方程的w i l s o n d 法和龙 格一库塔法结合，对叠层橡胶支座隔震建筑的非线性地震动力时程响应进行了研究，通过 算例分析表明，两种方法所得的结果相符。文献 1 1 2 1 分别采用非线性水平和转动弹簧模 拟减隔震支座的特性，证明了减隔震支座的良好减震效果。文献 1 1 3 1 1 5