极端荷载作用下桥梁塑性损伤性能识别方法研究

目前工程设计有意地设计结构在极端荷载（地震，船撞等）作用下进入可控的塑性状态，通过塑性构件（如塑性铰）或耗能构件（如阻尼器等）的减震效能作用来保证结构的安全性。项目研究基于自适应最小误差法的损伤识别理论；研究静力凝聚方法与该方法的结合以缩减复杂结构中不易测量的自由度；对弹塑性抗震设计桥梁在极端荷载作用下的塑性损伤性能进行参数识别；讨论不同特性弹塑性模型的识别精度和适用性；并通过模型试验，验证方法的可行性。目前频域和时域范围的结构参数识别方法更多着眼于弹性构件的损伤(如刚度损失)，而对认为设计的弹塑性构件的损伤识别方法研究不够。研究提出的基于自适应最小二乘法的识别方法理论上能够兼顾全局及局部优化条件，试验和工程上能识别结构及构件的性能参数变化，且适用于给定非线性本构模型。当极端荷载发生时，通过监测到的结构响应及时识别结构损伤以及所设计的塑性构件和耗能构件的特性，对把握结构的性能、确认其可靠性、决定灾后恢复与加固方案，故该方法的发展具有重要的理论和工程实践意义。研究成果可广泛应用于桥梁等复杂结构在地震等突发荷载作用后的损伤评估，尤其适用于快速评估。 2100433B

基于性能设计方法有意地设计结构在极端荷载（地震，船撞等）作用下进入可控的塑性状态，通过塑性构件（如塑性铰）或耗能构件（如阻尼器等）的减震效能作用来保证结构的安全性。在极端荷载发生时，通过监测到的结构响应及时识别结构损伤以及所设计的塑性构件和耗能构件的特性，对把握结构的性能、确认其可靠性、决定灾后恢复与加固方案，具有重要的意义。目前频域和时域范围的结构参数识别方法更多着眼于弹性构件的损伤(如刚度损失)，而对认为设计的弹塑性构件的损伤识别方法研究不够。在此背景下，本项目研究基于自适应最小误差法的损伤识别理论；研究静力凝聚方法与该方法的结合以缩减复杂结构中不易测量的自由度；对弹塑性抗震设计桥梁在极端荷载作用下的塑性损伤性能进行参数识别；讨论不同特性弹塑性模型的识别精度和适用性；并通过模型试验，验证方法的可行性。研究成果可广泛应用于桥梁等复杂结构在地震等突发荷载作用后的损伤评估。

本项目针对跨海近海岸桥梁在极端波浪荷载作用下灾变毁坏问题，采用数值仿真和宽水槽模型试验相结合的方法，开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理研究。研究中首先引入两相流的概念，建立了基于大涡模拟（LES）和流体体积法（VOF）的三维波浪与结构物相互作用的数学模型,重点将建立高精度自由水面追踪方法与虚拟边界力方法用于准确模拟强非线性破碎波与复杂桥梁结构物的相互作用。通过三维波浪与梁体的相互作用的数值仿真获得梁体所受的瞬时波浪力，结合宽水槽模型试验结果确定最不利的波浪荷载组合，分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势及桥梁周围流场动力特性。通过模拟在极端波浪荷载作用下近海岸桥梁结构失效模式研究桥梁的破坏形式和在海岸灾害中毁坏机理。为近海岸桥梁的设计和施工提供必要的理论基础和技术支撑。

现代战争表明，战时大型桥梁是敌方首选的攻击目标，而桥梁结构受损会直接影响其使用寿命和安全.本课题主要研究战时大型桥梁在高速冲击及爆炸荷载作用下的结构动力响应的数值仿真分析方法，研究结构损伤位置、损伤程度及耐久性的评估理论和方法，为大型桥梁的设计与战时防护提供理论依据并积累前期研究成果。主要研究内容包括：①钢筋混凝土材料在复杂应力状态下的本构关系和破坏准则；②冲击与爆炸荷载数值模拟；③大型桥梁结构在冲击与爆炸荷载作用下的动态响应计算分析方法；④输入不可测的结构模态分析方法（例如EMA和OMA方法）；⑤基于动力特性的结构损伤识别和评估理论研究。本课题为前期探索性研究，对轻微损伤和中等损伤情况下桥梁战时抢修具有重大的工程应用价值,在军事、经济等方面均有十分重要的意义.

现代战争中大型桥梁是敌方首选的攻击目标，而桥梁受损直接影响其使用寿命和安全。本项目从冲击动力学和非线性振动力学出发，针对桥梁在冲击爆炸荷载作用下结构的复杂动力响应以及结构损伤等直接影响桥梁结构安全的问题开展基础性研究，为大型桥梁的设计和战时防护提供理论依据。主要内容包括：①混凝土材料在复杂应力作用下的动态本构关系的实验研究；②混凝土结构的屈曲及冲击破坏机理研究；③冲击爆炸荷载的力学模型及桥梁结构动态响应分析的数值模拟；④基于振动响应的桥梁结构损伤识别技术研究。取得的主要成果是：实验研究了混凝土的应变率效应和损伤软化效应，提出了混凝土的损伤型粘弹性动态本构关系的修正方程，探究混凝土材料的力学性能表征与结构服役性能的相互关系和演变规律；研制了结构冲击动力特性试验和结构动态曲屈试验的试验装置，实验研究混凝土材料和结构产生损伤类型和机理；基于冲击动力学理论，考虑混凝土结构的弹塑性变形，建立了冲击荷载力学模型和冲击荷载作用下桥梁结构的动力响应数学表达式；初次在低速风洞中设计了并完成了气动弹性试验，再现了带立方型非线性弹性支承的二维板结构的结构非线性和几何非线性的极限环颤振现象，获得了壁板模型极限环颤振的风速区间。 2100433B