基于有限條法的長跨斜拉橋地震分析(已修改)
2025-07-04 16:48 本頁面
【正文】 基于集成有限條法的大跨斜拉橋的地震分析摘要：本文提出了一種基于集成有限條法和時(shí)程分析法的用于大跨斜拉橋進(jìn)行地震分析的方法。該方法降低了結(jié)構(gòu)集成時(shí)間、減少了結(jié)構(gòu)的自由度從而提高了計(jì)算分析的速度。現(xiàn)有的有限條法僅對橋面進(jìn)行建模，而將其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件由邊界條件代替。使用集成有限條法，可以對大跨斜拉橋的所有構(gòu)件建模。因此，可以考慮包括橋面，橋墩和拉索之間的相互作用的真實(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了驗(yàn)證本文提出方法的有效性，對一座大跨斜拉橋進(jìn)行了在均勻和非均勻地震荷載下的地震反應(yīng)分析。結(jié)果表明，集成有限條法可以成功應(yīng)用于大跨度斜拉橋的地震分析，并且可以顯著地降低分析時(shí)間。關(guān)鍵詞：集成有限條法。大跨斜拉橋。地震分析。 時(shí)程分析1前言為了滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對安全和高效的運(yùn)輸系統(tǒng)的需要，世界各國普遍大力發(fā)展了大跨度橋梁。如今，由于大跨度斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性，與懸索橋比起來引起了更多的關(guān)注。由于剛度低，現(xiàn)代大跨度斜拉橋?qū)?dòng)荷載非常敏感。因此，解決抗風(fēng)和抗震設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。大跨度橋梁在地震荷載和風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)是非常復(fù)雜的，需要有與精確分析和相應(yīng)的計(jì)算手段。大多數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)分析是通過有限元軟件實(shí)現(xiàn)的。過去幾十年，有限元法的準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)值分析在研究和設(shè)計(jì)大跨橋梁中得到廣泛應(yīng)用（Cook等人，1989）。隨著跨度的增加和輕質(zhì)復(fù)合材料的應(yīng)用，這些結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性變得更加復(fù)雜，使得常規(guī)有限元法不能進(jìn)行正確分析。由Y. K. Cheung在20世紀(jì)70年代（Cheung和Cheung 1971）所提出的有限條法作為一種半分析數(shù)值分析，已經(jīng)顯示了分析橋梁結(jié)構(gòu)的巨大潛力。然而，由于一些限制，這種方法不像有限元法那樣流行。例如，有限條法只能處理棱柱形構(gòu)件且為簡支約束支撐的橋梁。此外，該方法不能處理具有剪力、內(nèi)部支撐和集中荷載作用的情況。盡管有限條方法在結(jié)構(gòu)分析中有很多實(shí)際應(yīng)用，但都局限于橋梁的上部結(jié)構(gòu)的地震分析中。橋梁的橋墩和拉索通常用邊界條件代替。一種考慮橋墩和拉索影響的方法是將橋墩和拉索用其他單元（如邊界單元）建模，通過迭代獲得橋面和橋墩之間的相互作用。然而，該方法僅能進(jìn)行靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)分析。為了對復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，Cheung等人2009。 Shen等人2013。 Naderian等人2015）提出了集成有限條法（IFSM）使得有限條法可用于大跨斜拉橋的整體動(dòng)態(tài)分析。Shen等人比較了集成有限條法和有限元法分析所需的計(jì)算時(shí)間。在相似的建模和網(wǎng)格劃分條件下，當(dāng)通過集成有限條法對中等跨度橋梁進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，用時(shí)274分鐘，而有限元法則用時(shí)298分鐘，集成有限條法大約提高10％的計(jì)算速度。并且，在集成有限條法中每條的單元數(shù)可以進(jìn)一步降低，從而提高計(jì)算效率。當(dāng)對具有大量自由度的大跨斜拉橋進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，與有限元法比所節(jié)約的時(shí)間將更加可觀。集成有限條法可以對具有各種類型的約束支撐和內(nèi)部支撐的大跨斜拉橋進(jìn)行快速和準(zhǔn)確的地震分析。在大跨橋梁的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)方面，應(yīng)特別考慮在整個(gè)橋梁壽命期內(nèi)強(qiáng)震和強(qiáng)風(fēng)的作用。近幾十年來，在大跨結(jié)構(gòu)工程中地震隨機(jī)分析方面取得了重大進(jìn)展。在有限條動(dòng)力分析領(lǐng)域，Cheung和Cheung（1971）首先提出了用于具有不同邊界條件的薄壁結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)分析的有限條法。Dawe（2002）基于薄板理論使用常規(guī)和樣條有限條法對復(fù)合層壓板，棱柱板和殼結(jié)構(gòu)的進(jìn)行了廣泛的研究。該研究使用有限條法分析了單跨和多跨結(jié)構(gòu)的自然頻率，并評(píng)估了平板對動(dòng)態(tài)荷載的瞬態(tài)響應(yīng)。Wang和Zhang（2005）介紹了一種用于復(fù)合板自由振動(dòng)分析的分層B樣條有限條法。在該方法中，復(fù)合層疊板沿厚度方向分成多個(gè)層。在風(fēng)致動(dòng)力
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