【博士】橋墩冰激振動(dòng)響應(yīng)分析及復(fù)合反演研究【2009】

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　　學(xué)科專業(yè)：防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：大連理工大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　跨河、跨江橋梁結(jié)構(gòu)以及海洋平臺(tái)的動(dòng)冰力研究已逐漸成為寒冷區(qū)域結(jié)構(gòu)工程抗冰反應(yīng)分析的重要任務(wù)之一；其中橋梁結(jié)構(gòu)作為跨海、跨河流域的重要交通樞紐，在冰激作用下的振動(dòng)研究更是不容忽視，顯得尤為重要?！　】紤]到進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)可以方便地控制一些參數(shù)，同時(shí)可以將各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行合理組合，以便能夠直觀和更深入地發(fā)現(xiàn)在原型觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，也便于找出各參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，總結(jié)出一般規(guī)律，為寒冷海域和江河流域的結(jié)構(gòu)抗冰設(shè)計(jì)提供重要的參考價(jià)值。鑒于此，本文針對(duì)冰激橋墩結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題從不同方面展開了一系列與之相關(guān)的研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：　　(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震反應(yīng)分析思想提出了冰振反應(yīng)譜，首先建立了基于功率譜密度函數(shù)的冰振反應(yīng)譜；其次借鑒地震反應(yīng)譜內(nèi)插法的思想從理論和實(shí)際觀點(diǎn)出發(fā)，假定在等距離微小時(shí)間間隔內(nèi)冰荷載按二次拋物線規(guī)律變化，由Duhamel積分推導(dǎo)出冰振位移、速度以及加速度反應(yīng)譜的一系列連鎖公式，建立了基于非線性內(nèi)插法的冰振反應(yīng)譜，并利用實(shí)際冰壓力時(shí)程曲線進(jìn)行了冰振反應(yīng)譜數(shù)值分析，為以后冰激結(jié)構(gòu)振動(dòng)的研究提供一種方便、簡(jiǎn)捷、精確的分析方法，也能夠?qū)⑵溆行У貞?yīng)用到結(jié)構(gòu)的抗冰計(jì)算中?！　?2)考慮到室內(nèi)模型設(shè)計(jì)的難易程度直接關(guān)系到模型試驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行，本文在兩個(gè)合理假定的基礎(chǔ)上，根據(jù)相似基本理論及強(qiáng)迫振動(dòng)理論，推導(dǎo)出一種改進(jìn)的動(dòng)冰力模型試驗(yàn)相似律，以便能用更精確的模型試驗(yàn)結(jié)果去預(yù)測(cè)原型結(jié)構(gòu)在冰荷載作用下可能發(fā)生的破壞。同時(shí)為驗(yàn)證該相似律的合理性及適用性，通過冰激橋墩振動(dòng)算例進(jìn)行了數(shù)值分析，分別對(duì)頻率、時(shí)間、位移、速度以及加速度等相似比尺進(jìn)行了理論驗(yàn)證?！　?3)為有效地解決荷載輸入信息已知和部分輸入信息未知情況下，結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)識(shí)別問題，探求了一種改進(jìn)的物理參數(shù)時(shí)域識(shí)別和荷載反演算法，并利用該算法對(duì)一懸臂型橋墩結(jié)構(gòu)的多個(gè)參數(shù)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了有效驗(yàn)證。此外，考慮到精細(xì)時(shí)程積分法的方便適用性，首次將其應(yīng)用到動(dòng)冰荷載的識(shí)別中；并通過具體算例和真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)以上兩種算法的識(shí)別效果分別進(jìn)行比較分析，進(jìn)一步深入說明其在實(shí)際工程計(jì)算中的適用性?！　?4)利用本文提出的改進(jìn)的動(dòng)冰力模型試驗(yàn)相似律設(shè)計(jì)了一橋墩模型，首次在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開展了冰激柱體橋墩振動(dòng)室內(nèi)模型試驗(yàn)。通過本試驗(yàn)，分析直立橋墩結(jié)構(gòu)在冰振作用下的響應(yīng)特點(diǎn)，并探討冰的破壞形式以及冰壓力時(shí)程曲線的特性；同時(shí)將有限元計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來進(jìn)行分析比較，進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)的動(dòng)冰力模型試驗(yàn)相似律的適用性。　　(5)基于考慮流固耦合效應(yīng)的橋墩振動(dòng)響應(yīng)分析方法，在流體理論分析基礎(chǔ)上，建立了不同環(huán)境荷載激勵(lì)下的非線性Morision方程，并利用Matlab數(shù)值分析軟件對(duì)不同工況下的墩．水耦合振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算比較。由于該方程同時(shí)考慮到附加質(zhì)量效應(yīng)和流固耦合效應(yīng)，能夠真正解決結(jié)構(gòu)與水的耦合振動(dòng)問題，有利于深水橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。　　

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