極端荷載作用下橋梁塑性損傷性能識別方法研究中文摘要

基于性能設(shè)計方法有意地設(shè)計結(jié)構(gòu)在極端荷載（地震，船撞等）作用下進入可控的塑性狀態(tài)，通過塑性構(gòu)件（如塑性鉸）或耗能構(gòu)件（如阻尼器等）的減震效能作用來保證結(jié)構(gòu)的安全性。在極端荷載發(fā)生時，通過監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及時識別結(jié)構(gòu)損傷以及所設(shè)計的塑性構(gòu)件和耗能構(gòu)件的特性，對把握結(jié)構(gòu)的性能、確認其可靠性、決定災(zāi)后恢復(fù)與加固方案，具有重要的意義。目前頻域和時域范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)識別方法更多著眼于彈性構(gòu)件的損傷(如剛度損失)，而對認為設(shè)計的彈塑性構(gòu)件的損傷識別方法研究不夠。在此背景下，本項目研究基于自適應(yīng)最小誤差法的損傷識別理論；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)中不易測量的自由度；對彈塑性抗震設(shè)計橋梁在極端荷載作用下的塑性損傷性能進行參數(shù)識別；討論不同特性彈塑性模型的識別精度和適用性；并通過模型試驗，驗證方法的可行性。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估。

目前工程設(shè)計有意地設(shè)計結(jié)構(gòu)在極端荷載（地震，船撞等）作用下進入可控的塑性狀態(tài)，通過塑性構(gòu)件（如塑性鉸）或耗能構(gòu)件（如阻尼器等）的減震效能作用來保證結(jié)構(gòu)的安全性。項目研究基于自適應(yīng)最小誤差法的損傷識別理論；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)中不易測量的自由度；對彈塑性抗震設(shè)計橋梁在極端荷載作用下的塑性損傷性能進行參數(shù)識別；討論不同特性彈塑性模型的識別精度和適用性；并通過模型試驗，驗證方法的可行性。目前頻域和時域范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)識別方法更多著眼于彈性構(gòu)件的損傷(如剛度損失)，而對認為設(shè)計的彈塑性構(gòu)件的損傷識別方法研究不夠。研究提出的基于自適應(yīng)最小二乘法的識別方法理論上能夠兼顧全局及局部優(yōu)化條件，試驗和工程上能識別結(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。當極端荷載發(fā)生時，通過監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及時識別結(jié)構(gòu)損傷以及所設(shè)計的塑性構(gòu)件和耗能構(gòu)件的特性，對把握結(jié)構(gòu)的性能、確認其可靠性、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估，尤其適用于快速評估。 2100433B

本項目針對跨海近海岸橋梁在極端波浪荷載作用下災(zāi)變毀壞問題，采用數(shù)值仿真和寬水槽模型試驗相結(jié)合的方法，開展近海岸橋梁在極端波浪荷載下毀壞形式和機理研究。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確模擬強非線性破碎波與復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)物的相互作用。通過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波浪力，結(jié)合寬水槽模型試驗結(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、最大波浪力隨淹沒深度變化趨勢及橋梁周圍流場動力特性。通過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)害中毀壞機理。為近海岸橋梁的設(shè)計和施工提供必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭表明，戰(zhàn)時大型橋梁是敵方首選的攻擊目標，而橋梁結(jié)構(gòu)受損會直接影響其使用壽命和安全.本課題主要研究戰(zhàn)時大型橋梁在高速沖擊及爆炸荷載作用下的結(jié)構(gòu)動力響應(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估理論和方法，為大型橋梁的設(shè)計與戰(zhàn)時防護提供理論依據(jù)并積累前期研究成果。主要研究內(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態(tài)響應(yīng)計算分析方法；④輸入不可測的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析方法（例如EMA和OMA方法）；⑤基于動力特性的結(jié)構(gòu)損傷識別和評估理論研究。本課題為前期探索性研究，對輕微損傷和中等損傷情況下橋梁戰(zhàn)時搶修具有重大的工程應(yīng)用價值,在軍事、經(jīng)濟等方面均有十分重要的意義.

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中大型橋梁是敵方首選的攻擊目標，而橋梁受損直接影響其使用壽命和安全。本項目從沖擊動力學(xué)和非線性振動力學(xué)出發(fā)，針對橋梁在沖擊爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜動力響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)損傷等直接影響橋梁結(jié)構(gòu)安全的問題開展基礎(chǔ)性研究，為大型橋梁的設(shè)計和戰(zhàn)時防護提供理論依據(jù)。主要內(nèi)容包括：①混凝土材料在復(fù)雜應(yīng)力作用下的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系的實驗研究；②混凝土結(jié)構(gòu)的屈曲及沖擊破壞機理研究；③沖擊爆炸荷載的力學(xué)模型及橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分析的數(shù)值模擬；④基于振動響應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)研究。取得的主要成果是：實驗研究了混凝土的應(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)沖擊動力特性試驗和結(jié)構(gòu)動態(tài)曲屈試驗的試驗裝置，實驗研究混凝土材料和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷類型和機理；基于沖擊動力學(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)的動力響應(yīng)數(shù)學(xué)表達式；初次在低速風(fēng)洞中設(shè)計了并完成了氣動彈性試驗，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