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原文传递结构易损性分析及其在桥梁健康监测中的应用

论文题名：	结构易损性分析及其在桥梁健康监测中的应用
关键词：	结构易损性分析;桥梁;健康监测系统;结构体系;场景;事件;冗余构件;结构性能;定量分析方法;结构安全性;总体规模;性能退化;拓扑构成;荷载形式;不同损伤程度;设计;斜拉桥;影响因素;评价参数;恐怖袭击
摘要：	易损性原指某一系统对于破坏的敏感性。土木工程中，结构的易损性可以看作结构性能对于局部损伤的敏感性，能揭示结构的弱点所在。结构易损性分析是近年来由于在极端破坏事件，尤其是人为恐怖袭击作用下，许多结构发生不成比例连续破坏事件而引起工程界关注的热点问题。同时，结构健康监测系统的设计也提出了易损性分析的需求。目前，易损性分析的有关概念和定义尚不统一，更缺乏定量的分析方法。许多国家规范中提出的一些降低结构易损性的定性规定，由于缺乏定量分析方法的支撑，难于在实际工程设计中实现。因此，对易损性定量分析的研究需求十分迫切。　　结构易损性分析不仅是保证结构安全的一种分析方法，同时也是在结构安全性分析的一种意识。传统结构设计中，对一些重要构件通常给予较高的安全冗余，在进行结构安全分析时，因为这种构件的安全冗余度高、破坏可能性低而忽略了对这类低概率破坏事件的分析，这种低概率事件却往往造成较大的破坏后果。尤其是恐怖袭击事件发生后，人们认识到对保证结构安全性的分析还应包括考虑一旦某些构件或局部结构失效后结构将如何响应的易损性分析。　　本文对结构易损性的定量分析方法进行研究，提出了以损伤场景对结构性能的影响程度和损伤场景占结构体系总体规模的比例为参数的双参数结构易损性分析方法。利用两个易损性量化评价参数，可对结构在某一特定损伤场景不同损伤程度下的易损性，以及对结构在不同损伤场景之间的易损性进行横向比较分析。主要研究内容包括：　　 1.总结了既有易损性分析研究的共性，归纳了结构易损性分析的研究范畴，指出易损性分析研究内容为结构对负面事件的响应，主要强调负面事件对结构造成的影响与事件本身的不成比例性。　　 2.尝试建立结构易损性分析的概念体系。指出结构易损性是损伤场景对结构性能的影响程度与损伤场景占结构体系总体规模的比例两参数之间的权衡。对结构的某一特定损伤场景下不同损伤程度进行分析中，或在对结构的多个损伤场景易损性横向比较分析中，只有场景对结构性能的影响程度或场景占结构体系总体规模的比例为恒定值时才能得到结构易损性参数的确定值；否则需要采用帕罗托优化方法对离散的损伤场景进行分析得到易损场景集合。易损场景集合是对评价参数权衡的结果，如果给两个参数设定具体的权重关系，则可在集合中得到某一确定的易损场景，否则易损场景集合中涉及的构件都是对结构易损性影响较高的构件。　　 3.分析了影响结构体系易损性的三种因素，分别为结构体系拓扑构成、结构的作用荷载形式以及结构构件性能退化。这三种影响因素都可用广义的结构冗余度的概念进行解释。结构体系拓扑构成从几何角度反映了结构中冗余构件的分配关系，因此文中以多杆件的桁架结构作为算例进行了分析，从分析中可以看出从几何构成角度，结构体系的弱点出现在冗余构件缺乏的部位。从主动破坏角度讲，可以找出能够造成结构体系退化成为机构的最少数目易损场景。荷载形式不同，构件能力发挥程度不同；而构件性能退化将导致结构体系自身刚度分配的变化。这两种因素对结构易损性的影响，实质反映了在荷载与结构几何拓扑共同作用下，结构内部冗余分配的变化。　　 4.根据结构易损性的影响因素，提出了三种具有针对性的结构易损性分析，即针对结构几何拓扑构成的易损性分析，针对特定荷载形式的结构易损性分析和针对构件性能退化的结构易损性分析，并对易损性分析过程作了说明。　　 5.在所建立的易损性分析框架下，探讨了斜拉桥结构体系在极端破坏事件下易损性分析的相关问题，包括结构性能参数选取、桥梁中典型的破坏事件模拟以及对破坏事件动力效应的考虑等。并以某斜拉桥为算例，对其在拉索破坏以及主塔下部遭受破坏的易损性进行了分析。　　 6.研究了结构易损性分析在结构健康监测系统设计中的应用，以某斜拉桥为例，进行了结构易损性分析，分析结果可作为健康监测系统中传感器布置以及预警系统设计的参考。
作者：	于刚
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	孙利民;孙智
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文