非平穩(wěn)激勵下大跨橋梁隨機(jī)響應(yīng)方法研究與應(yīng)用.pdf

1、自然界中風(fēng)、浪、地震等激勵存在著隨機(jī)性。隨著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)朝著大跨和高聳方向的發(fā)展以及輕質(zhì)高強(qiáng)材料的使用，這些隨機(jī)激勵及其作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)中存在的非平穩(wěn)性、非線性和非高斯性將成為結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計的重要因素，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。近年來，雖然在非平穩(wěn)隨機(jī)激勵及其動力響應(yīng)方面已取得了一些研究成果，但仍有不少問題有待解決。為此，論文以非良態(tài)風(fēng)速與地震動為例，首先針對非平穩(wěn)激勵的時頻域描述、演化功率譜估計以及隨機(jī)樣本模擬進(jìn)行了討論，然后對大跨橋梁在強(qiáng)風(fēng)和

2、地震動作用下的動力響應(yīng)理論計算方法以及非平穩(wěn)性對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律展開了系統(tǒng)地闡述，主要的工作和成果如下:
　　由于在實(shí)際工程中觀測到的非平穩(wěn)激勵數(shù)量有限（僅有單個樣本時程），從定性的角度建立了基于多變量EMD方法的時頻分析框架，提出了利用尺度圖/互尺度圖以及瞬時頻率譜/互譜的概念來表征非平穩(wěn)信號的瞬態(tài)變化特征。該框架完善了EMD與EEMD不能同時分析多個信號的缺陷。通過實(shí)測多點(diǎn)雷暴風(fēng)速與多維地震動算例驗證了框架的合理性。

3、　　進(jìn)一步從定量的角度討論和完善了非平穩(wěn)隨機(jī)過程的演化功率譜估計理論。研究表明:Priestley估計方法對于單樣本譜估計具有優(yōu)勢，而小波變換方法對于多樣本譜估計精度較高。針對某多組三維地震動樣本，揭示了三個方向的譜函數(shù)以及各方向間的時變相干性。算例結(jié)果也證實(shí)了定性與定量分析能夠得到相一致的非平穩(wěn)特征。
　　非平穩(wěn)隨機(jī)樣本模擬是結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)時域分析的前提。然而，在經(jīng)典的多點(diǎn)非平穩(wěn)隨機(jī)過程的模擬方法中，由于頻率與時間變量不可分離，演

4、化功率譜矩陣分解效率較低。論文討論了將新Cholesky分解方法與插值技術(shù)應(yīng)用到生成與反應(yīng)譜相容的快速模擬中。
　　以實(shí)測非平穩(wěn)雷暴風(fēng)速為例，討論了如何從原始風(fēng)速中獲得合理的時變平均風(fēng)速這一基本問題，提出了確定時變平均風(fēng)速中最高頻率的經(jīng)驗公式。以高層建筑物為例，對結(jié)構(gòu)的風(fēng)致瞬態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)與規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)果表明:建議采用高階的DWT與EEMD方法進(jìn)行平均風(fēng)速的提取;非平穩(wěn)響應(yīng)的最大值小于且“滯后”于擬穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的最大值。
　　

5、基于虛擬激勵法建立了分析時變風(fēng)-橋梁系統(tǒng)在非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)速作用下抖振響應(yīng)分析的頻域方法，并將該方法應(yīng)用于某座山區(qū)鋼箱梁懸索橋的抖振性能評價中。結(jié)果表明:建議采用可分離的演化功率譜（強(qiáng)度非平穩(wěn)模型）對脈動風(fēng)速進(jìn)行建模;風(fēng)速的時變瞬態(tài)特性將導(dǎo)致非平穩(wěn)抖振響應(yīng)低于按照穩(wěn)態(tài)以及擬穩(wěn)態(tài)分析得到的結(jié)果;傳統(tǒng)的平穩(wěn)處理（將原始風(fēng)速表示為10min常值平均風(fēng)速與平穩(wěn)脈動風(fēng)速的疊加）將會低估橋梁的抖振響應(yīng)，這表明了非平穩(wěn)風(fēng)速由時變平均風(fēng)速與脈動風(fēng)速疊加建模的

6、合理性。
　　以某座大跨懸索橋為例，采用虛擬激勵法與改進(jìn)的復(fù)化Cotes精細(xì)積分法建立了多維多點(diǎn)非平穩(wěn)演變激勵作用下復(fù)雜結(jié)構(gòu)地震瞬態(tài)響應(yīng)分析方法。該方法既能夠保證計算精度，又能夠方便考慮地震動的空間效應(yīng)以及三維地震動各分量間的相關(guān)性。結(jié)果表明:大跨結(jié)構(gòu)阻尼和自振頻率越低，持時較短的非平穩(wěn)地震動激勵引起的瞬態(tài)效應(yīng)越明顯;由強(qiáng)度非平穩(wěn)模型得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)大于完全非平穩(wěn)模型的結(jié)果。
　　需要說明，非平穩(wěn)性包括強(qiáng)度與頻率兩個方面。在研