大型土木工程抗震防災研究進展與研究方向

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1.大型土木工程抗震防災研究進展
　　大型土木工程的抗震防災研究主要由試驗研究、理論分析和工程實踐組成。結構試驗作為研究結構開裂、倒塌機理的主要手段之一，是結構抗災研究的基礎。在過去的20年間，針對復雜結構的開裂和破壞機理進行了大量的構件試驗和振動臺試驗研究，為進行復雜結構的開裂和破壞機理的計算分析和數(shù)值模擬奠定了基礎。
　　近年來，隨著理論研究的深人和計算機技術的高速發(fā)展，使得對鋼筋混凝土結構在地震作用下倒塌反應的數(shù)值分析與研究取得了很大進展。結構倒塌反應的數(shù)值分析方法從是否考慮結構的動力效應可分為靜力方法與動力方法，靜力方法的典型代表是推覆法，動力方法的典型代表為時程分析法。從是否考慮單元之間的連續(xù)性可劃分為連續(xù)性數(shù)值方法與非連續(xù)性(或分離性)數(shù)值方法，其典型代表分別為有限單元法(finite element method，F(xiàn)EM)和離散單元法(discrete element method，DEM)。
　　在結構抗震力學分析方面，非線性、隨機性和耦合性一直是研究人員關注的重點。混凝土材料彈塑性損傷本構關系是抗震分析的基礎。由于混凝土材料先天性地具備多相復合性質(zhì)、初始微缺陷特征，使得混凝土結構在本質(zhì)上具有隨機性與非線性性質(zhì)。為了把握乃至控制設計結構，必須正確反映混凝土的隨機性與非線性。在20世紀80年代之前，關于混凝土本構關系的研究基本上是采用現(xiàn)象學的經(jīng)驗統(tǒng)計方法。近20年來，人們逐漸認識到對混凝土本構關系的認識如果只是從純力學或機械能守恒及損失的觀點去研究，就難以深人過程的物理本質(zhì)，建立起客觀的本構模型。在不可逆熱力學的框架內(nèi)研究混凝土本構關系，主要有內(nèi)時理論和損傷力學理論。從損傷力學研究的基點出發(fā)，建立混凝土破壞機理分析的細觀物理模型，有可能緩解乃至從根本上擺脫混凝土本構關系研究的困境。
    經(jīng)過眾多學者多年的努力，非線性計算理論在結構分析模型、單元分析模型、恢復力模型、數(shù)值計算方法等方面取得了諸多重要成果。鋼筋混凝土空間結構非線性地震反應分析的力學模型可分為平動模型、平扭模型和真三維模型。桿系型平扭模型是目前國內(nèi)外常用的力學分析模型，其計算結果的精度與空間桿元模型的優(yōu)劣密切相關?；謴土δＰ鸵话愣际歉鶕?jù)試驗來確定的。
    目前，國內(nèi)外在工程計算中應用的恢復力模型一般可分為曲線型和折線型。目前常用的空間桿件單元模型是單分量模型。又可細分為有限纖維模型、彈簧模型、塑性力學模型?？臻g結構截面恢復力模型是由單軸截面恢復力模型擴展而成的，它主要包括加載曲面函數(shù)的確定、加載曲面移動規(guī)則及塑性流動法則的選擇。加載曲面函數(shù)包括開裂加載曲面函數(shù)和屈服加載曲面函數(shù)。目前加載曲面函數(shù)形狀的確定是參照截面在靜載作用下的破壞曲面方程進行的。對于雙向彎曲截面，加載曲面普遍取為橢圓形狀；對于雙向彎矩及扭矩作用的截面，加載曲面一般采用橢球來描述，其依據(jù)是許多學者關于雙向彎曲截面破壞的研究成果。至于開裂、屈服加載曲面的函數(shù)的具體形式，應由單軸加載時截面的開裂彎矩、屈服彎矩控制；而彈性、開裂、屈服三個區(qū)域的剛度,應與單軸受力情況下截面恢復力模型在相應階段的剛度對應。
　  在隨機結構系統(tǒng)響應分析方面，由于問題的復雜性，至20世紀90年代末，尚無獲取非線性隨機結構系統(tǒng)響應統(tǒng)計量的有效方法。在隨機攝動思想的框架下，20世紀90年代若干學者對靜力和動力問題繼續(xù)進行了探索。從隨機振動理論中的等價線性化方法借鑒推廣而來的等價線性系統(tǒng)方法是20世紀90年代的另一研究思路。從目前的研究結果看，等價線性化技術還存在較多的問題和爭論，精度往往難以得到保證。20世紀90年代中期以來，一些研究者試圖在非線性隨機結構系統(tǒng)響應分析中應用正交多項式展開方法，從數(shù)值結果來看效果尚不甚理想。最近，借鑒在線性隨機結構系統(tǒng)靜力分析中給出的結構響應關于基本隨機變量的顯式表達，Impollonia和Sofi給出響應面的近似表達。這一思路目前還只初見端倪，至于動力分析，則還未見報道。從上述分析來看，對非線性隨機結構系統(tǒng)，無論是靜力還是動力分析問題，即便就獲取二階統(tǒng)計量而言，離實用的距離都還很遠。
　  結構與地基的動力相互作用是典型的耦合力學問題，這也是地震工程和巖土工程的最基本問題之一，在20世紀70年代開始了系列的研究。近10年的主要進展有：振動臺模型試驗和離心機模型試驗越來越得到人們的接受并取得了很大發(fā)展；數(shù)值分析已經(jīng)從頻域向時域發(fā)展，從線性分析向非線性分析發(fā)展；現(xiàn)場實驗和強震觀測已成為檢驗理論的重要手段，并更加受到人們的重視；模型試驗、數(shù)值分析和現(xiàn)場實驗的緊密結合將為這一領域的研究提供更廣闊的發(fā)展空間。
　  20世紀80年代之后，我國高層及超高層建筑高速度發(fā)展，進行這些高層及超高層建筑的抗震研究要比中低層建筑復雜得多。特別是年代以后，許多世界頂級的橋梁，如楊浦、盧浦大橋，南京三橋，蘇通大橋，武漢天興洲公、鐵兩用大橋在中國出現(xiàn)。這些大型復雜結構的地震反應機理、性態(tài)設計和結構易損性是當今結構抗震研究的前沿。在大量的理論和試驗研究以及工程實踐的基礎上，編寫了《超限高層建筑工程抗震設計指南》和《城市橋梁抗震設計規(guī)范》以及相關的專著和論文，為這些大型復雜高層建筑工程和大跨橋梁和復雜大型立交工程的抗震設計提供了理論指導和技術支持。