極端荷載作用下橋梁塑性損傷性能識(shí)別方法研究

目前工程設(shè)計(jì)有意地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在極端荷載（地震，船撞等）作用下進(jìn)入可控的塑性狀態(tài)，通過(guò)塑性構(gòu)件（如塑性鉸）或耗能構(gòu)件（如阻尼器等）的減震效能作用來(lái)保證結(jié)構(gòu)的安全性。項(xiàng)目研究基于自適應(yīng)最小誤差法的損傷識(shí)別理論；研究靜力凝聚方法與該方法的結(jié)合以縮減復(fù)雜結(jié)構(gòu)中不易測(cè)量的自由度；對(duì)彈塑性抗震設(shè)計(jì)橋梁在極端荷載作用下的塑性損傷性能進(jìn)行參數(shù)識(shí)別；討論不同特性彈塑性模型的識(shí)別精度和適用性；并通過(guò)模型試驗(yàn)，驗(yàn)證方法的可行性。目前頻域和時(shí)域范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別方法更多著眼于彈性構(gòu)件的損傷(如剛度損失)，而對(duì)認(rèn)為設(shè)計(jì)的彈塑性構(gòu)件的損傷識(shí)別方法研究不夠。研究提出的基于自適應(yīng)最小二乘法的識(shí)別方法理論上能夠兼顧全局及局部?jī)?yōu)化條件，試驗(yàn)和工程上能識(shí)別結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的性能參數(shù)變化，且適用于給定非線性本構(gòu)模型。當(dāng)極端荷載發(fā)生時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及時(shí)識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷以及所設(shè)計(jì)的塑性構(gòu)件和耗能構(gòu)件的特性，對(duì)把握結(jié)構(gòu)的性能、確認(rèn)其可靠性、決定災(zāi)后恢復(fù)與加固方案，故該方法的發(fā)展具有重要的理論和工程實(shí)踐意義。研究成果可廣泛應(yīng)用于橋梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)在地震等突發(fā)荷載作用后的損傷評(píng)估，尤其適用于快速評(píng)估。 2100433B

基于性能設(shè)計(jì)方法有意地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在極端荷載（地震，船撞等）作用下進(jìn)入可控的塑性狀態(tài)，通過(guò)塑性構(gòu)件（如塑性鉸）或耗能構(gòu)件（如阻尼器等）的減震效能作用來(lái)保證結(jié)構(gòu)的安全性。在極端荷載發(fā)生時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及時(shí)識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷以及所設(shè)計(jì)的塑性構(gòu)件和耗能構(gòu)件的特性，對(duì)把握結(jié)構(gòu)的性能、確認(rèn)其可靠性、決定災(zāi)后恢復(fù)與加固方案，具有重要的意義。目前頻域和時(shí)域范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別方法更多著眼于彈性構(gòu)件的損傷(如剛度損失)，而對(duì)認(rèn)為設(shè)計(jì)的彈塑性構(gòu)件的損傷識(shí)別方法研究不夠。在此背景下，本項(xiàng)目研究基于自適應(yīng)最小誤差法的損傷識(shí)別理論；研究靜力凝聚方法與該方法的結(jié)合以縮減復(fù)雜結(jié)構(gòu)中不易測(cè)量的自由度；對(duì)彈塑性抗震設(shè)計(jì)橋梁在極端荷載作用下的塑性損傷性能進(jìn)行參數(shù)識(shí)別；討論不同特性彈塑性模型的識(shí)別精度和適用性；并通過(guò)模型試驗(yàn)，驗(yàn)證方法的可行性。研究成果可廣泛應(yīng)用于橋梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)在地震等突發(fā)荷載作用后的損傷評(píng)估。

本項(xiàng)目針對(duì)跨海近海岸橋梁在極端波浪荷載作用下災(zāi)變毀壞問(wèn)題，采用數(shù)值仿真和寬水槽模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開(kāi)展近海岸橋梁在極端波浪荷載下毀壞形式和機(jī)理研究。研究中首先引入兩相流的概念，建立了基于大渦模擬（LES）和流體體積法（VOF）的三維波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)學(xué)模型,重點(diǎn)將建立高精度自由水面追蹤方法與虛擬邊界力方法用于準(zhǔn)確模擬強(qiáng)非線性破碎波與復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)物的相互作用。通過(guò)三維波浪與梁體的相互作用的數(shù)值仿真獲得梁體所受的瞬時(shí)波浪力，結(jié)合寬水槽模型試驗(yàn)結(jié)果確定最不利的波浪荷載組合，分析橋梁在波浪荷載作用下的受力特點(diǎn)、最大波浪力隨淹沒(méi)深度變化趨勢(shì)及橋梁周?chē)鲌?chǎng)動(dòng)力特性。通過(guò)模擬在極端波浪荷載作用下近海岸橋梁結(jié)構(gòu)失效模式研究橋梁的破壞形式和在海岸災(zāi)害中毀壞機(jī)理。為近海岸橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)表明，戰(zhàn)時(shí)大型橋梁是敵方首選的攻擊目標(biāo)，而橋梁結(jié)構(gòu)受損會(huì)直接影響其使用壽命和安全.本課題主要研究戰(zhàn)時(shí)大型橋梁在高速?zèng)_擊及爆炸荷載作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值仿真分析方法，研究結(jié)構(gòu)損傷位置、損傷程度及耐久性的評(píng)估理論和方法，為大型橋梁的設(shè)計(jì)與戰(zhàn)時(shí)防護(hù)提供理論依據(jù)并積累前期研究成果。主要研究?jī)?nèi)容包括：①鋼筋混凝土材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則；②沖擊與爆炸荷載數(shù)值模擬；③大型橋梁結(jié)構(gòu)在沖擊與爆炸荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算分析方法；④輸入不可測(cè)的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析方法（例如EMA和OMA方法）；⑤基于動(dòng)力特性的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和評(píng)估理論研究。本課題為前期探索性研究，對(duì)輕微損傷和中等損傷情況下橋梁戰(zhàn)時(shí)搶修具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值,在軍事、經(jīng)濟(jì)等方面均有十分重要的意義.

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中大型橋梁是敵方首選的攻擊目標(biāo)，而橋梁受損直接影響其使用壽命和安全。本項(xiàng)目從沖擊動(dòng)力學(xué)和非線性振動(dòng)力學(xué)出發(fā)，針對(duì)橋梁在沖擊爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動(dòng)力響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)損傷等直接影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的問(wèn)題開(kāi)展基礎(chǔ)性研究，為大型橋梁的設(shè)計(jì)和戰(zhàn)時(shí)防護(hù)提供理論依據(jù)。主要內(nèi)容包括：①混凝土材料在復(fù)雜應(yīng)力作用下的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究；②混凝土結(jié)構(gòu)的屈曲及沖擊破壞機(jī)理研究；③沖擊爆炸荷載的力學(xué)模型及橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的數(shù)值模擬；④基于振動(dòng)響應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)研究。取得的主要成果是：實(shí)驗(yàn)研究了混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)和損傷軟化效應(yīng)，提出了混凝土的損傷型粘彈性動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系的修正方程，探究混凝土材料的力學(xué)性能表征與結(jié)構(gòu)服役性能的相互關(guān)系和演變規(guī)律；研制了結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力特性試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)曲屈試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)研究混凝土材料和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷類(lèi)型和機(jī)理；基于沖擊動(dòng)力學(xué)理論，考慮混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，建立了沖擊荷載力學(xué)模型和沖擊荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式；初次在低速風(fēng)洞中設(shè)計(jì)了并完成了氣動(dòng)彈性試驗(yàn)，再現(xiàn)了帶立方型非線性彈性支承的二維板結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非線性和幾何非線性的極限環(huán)顫振現(xiàn)象，獲得了壁板模型極限環(huán)顫振的風(fēng)速區(qū)間。 2100433B