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基于近断层地震响应的大跨矮塔斜拉桥动力优化
| 论文题名： | 基于近断层地震响应的大跨矮塔斜拉桥动力优化 |
| 关键词： | 大跨矮塔斜拉桥;动力优化设计;遗传算法;近断层地震响应 |
| 摘要： | 近年来，近断层地震动因其能量高、持时长和对工程结构影响剧烈而受到结构设计者与研究者的广泛关注。随着我国交通干线的纵横发展，越来越多的大型桥梁被修建在活动断层附近，其中矮塔斜拉桥因其“塔矮、梁刚、索集中”的特点在交通领域应用广泛。如何保障此类桥梁在近断层地震动作用下的抗震安全性，是当前亟需解决的重要课题;计算机技术的日新月异，使结构动力优化设计被视为是解决复杂动力设计问题的全新方法。针对传统结构动力优化设计计算量大、耗时长以及优化解具有局限性等问题，本文以一座铁路大跨矮塔斜拉桥为研究对象，对近断层地震作用下结构的动力优化问题进行研究。建立设计参数与各关键地震响应的BP神经网络预测模型对桥梁设计参数进行全局敏感性分析，并将遗传算法应用于桥梁结构的动力响应优化设计中，为桥梁结构的动力优化和参数设计问题探索新方向。主要研究工作如下： （1）根据设计资料，选取参与优化设计的矮塔斜拉桥主要设计参数，采用三维脊梁式建模策略，充分考虑塔墩的梁柱效应和斜拉索的垂度效应，通过Python语言与ANSYS有限元软件的深层交互融合，实现桥梁的参数化数值建模以及分析结果的提取与调用，并对其进行动力特性分析。 （2）分别从横桥向和顺桥向输入地震波对矮塔斜拉桥进行动力时程分析，研究其在远场地震动和不同特性近断层地震动（方向性效应、滑冲效应和上盘效应）下主梁、主塔和主墩的响应。综合分析该桥主塔、主墩和主梁地震响应，采取“最不利响应”原则，选择各构件关键截面响应作为动力优化的目标参数。 （3）基于BP神经网络建立设计参数与矮塔斜拉桥地震响应之间的神经网络预测模型，对所选设计变量进行参数敏感性分析。采用基于方差的全局敏感性方法分析各关键地震响应对不同设计参数的敏感程度，以及近断层效应对参数敏感性的影响，全面分析近断层地震动和结构设计参数对地震响应的影响机理。 （4）以结构关键地震响应为目标，将建立的设计参数-地震响应BP神经网络模型用于构造矮塔斜拉桥动力优化的目标函数，加快结构优化设计的计算效率。采用全局性好、寻优能力强的遗传算法，通过调整矮塔斜拉桥设计参数，进行动力优化设计，得到在远场地震动和三类近断层特性地震动激励下的不同矮塔斜拉桥最优设计参数，通过对不同优化结果的对比分析，为近断层桥梁抗震设计及优化设计提供新思路。 |
| 作者： | 王伟军 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 虞庐松 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 兰州交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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