近斷層強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)隨機(jī)抗震分析和力學(xué)系統(tǒng)混沌控制.pdf

1、近斷層地震動獨(dú)特的運(yùn)動特征及其對工程結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞作用引起了國內(nèi)外地震工程和工程力學(xué)學(xué)者的密切關(guān)注。近二十年來，近斷層地震動工程特性與結(jié)構(gòu)效應(yīng)研究是地震工程領(lǐng)域的重要課題。由于選擇實(shí)際記錄常受到數(shù)據(jù)庫中缺乏符合條件的記錄的限制，特別是近斷層強(qiáng)地震動記錄的數(shù)量仍相對不足，因此近斷層地震動的合成和模擬研究成為基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。另外，在對大跨度橋梁、輸油管線、大壩等大型生命線工程進(jìn)行抗震分析時，脈沖型地震動輸入的方向性對結(jié)構(gòu)的

2、影響不可忽略。為更好地指導(dǎo)重要結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，在對近斷層脈沖型地震動頻譜特性深入分析的基礎(chǔ)上，需要建立一種能夠從全概率角度真實(shí)反映最強(qiáng)脈沖方向上近斷層地震動的隨機(jī)模型，并進(jìn)行近斷層隨機(jī)強(qiáng)震作用下建筑結(jié)構(gòu)的抗震概率分析。
　　混沌是非線性動力系統(tǒng)所特有的一種偽隨機(jī)運(yùn)動形式，廣泛地存在于科學(xué)與工程領(lǐng)域。近年來，混沌控制得到了快速發(fā)展，并與其它許多分支學(xué)科相互滲透交融，成為非線性科學(xué)研究的熱點(diǎn)課題。在土木、機(jī)械等工程力學(xué)系統(tǒng)中，混沌反饋

3、控制方法獲得了廣泛應(yīng)用，雖然這些控制方法提出的時間和應(yīng)用背景各不相同，但其反饋控制策略的核心思想具有一定的相似性。因此，研究和探討這些不同混沌反饋控制方法的內(nèi)在聯(lián)系，有助于加深對混沌控制策略本質(zhì)的理解，進(jìn)一步拓展混沌反饋控制方法的應(yīng)用范圍，并促進(jìn)其它有效的混沌控制方法的發(fā)展，以更好地應(yīng)用到工程力學(xué)系統(tǒng)中。而且，對于混沌控制方法的研究有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可靠度分析與概率優(yōu)化算法的收斂控制。
　　本文針對近斷層強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)隨機(jī)抗震分析和工

4、程力學(xué)系統(tǒng)的混沌控制展開了系統(tǒng)深入的研究，主要內(nèi)容如下:
　　(1)深入分析了近斷層脈沖型地震動的功率譜特性，并基于物理過程推導(dǎo)了相應(yīng)的功率譜模型。建立了一種基于物理過程的近斷層脈沖型地震動功率譜模型，以擬合其平均功率譜，并得到了譜強(qiáng)度因子關(guān)于震源幅值系數(shù)、傳播介質(zhì)衰減系數(shù)和震中距的表達(dá)式。并且，從新的視角對近斷層和遠(yuǎn)場地震動功率譜卓越頻率產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行了詮釋。針對脈沖型地震動幅值大、持時短的特點(diǎn)，建議了修正的分段包絡(luò)函數(shù)模型

5、，并利用譜表達(dá)方法隨機(jī)合成了具有脈沖特征的非平穩(wěn)加速度時程樣本。
　　(2)利用最強(qiáng)脈沖方向上的地震動時程，建立了一種新的近斷層脈沖型地震動合成隨機(jī)模型，為重要工程結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)提供了一種最不利地震動輸入，以保障結(jié)構(gòu)的抗震安全?？紤]了地震動記錄的方向性，利用連續(xù)小波變換的線性組合求得近斷層地震動記錄的最強(qiáng)脈沖方向，分析了最強(qiáng)脈沖方向上解析脈沖函數(shù)參數(shù)與地震學(xué)參數(shù)(即震級、斷層距和場地條件）的相關(guān)性，建立了峰值地面速度關(guān)于斷層距

6、的回歸模型?；貧w模型的標(biāo)準(zhǔn)差與互不相關(guān)參數(shù)可視為隨機(jī)變量，統(tǒng)計(jì)分析表明它們服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布。隨機(jī)脈沖函數(shù)與經(jīng)過強(qiáng)度包絡(luò)函數(shù)調(diào)制的隨機(jī)高頻加速度時程疊加，可生成包含高頻和低頻成分的地震動加速度時程，合成結(jié)果表明該隨機(jī)模型能夠準(zhǔn)確地反映近斷層地震動的脈沖特性。
　　(3)利用子集模擬法計(jì)算了在近斷層隨機(jī)強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)的動力可靠度，分析了隨機(jī)脈沖模型參數(shù)的變異性對不同周期結(jié)構(gòu)動力可靠度的影響。研究表明脈沖周期、峰值地面速度和脈

7、沖波數(shù)對結(jié)構(gòu)的可靠度影響較大，在可靠度分析時需考慮它們的變異性，而其它參數(shù)（包絡(luò)參數(shù)、脈沖發(fā)生時刻、相位角）對不同特征周期結(jié)構(gòu)的可靠度影響較小，在可靠度分析時可不考慮它們的變異性。
　　(4)針對Lorenz族連續(xù)自治系統(tǒng)，引入概率統(tǒng)計(jì)方法分析了混沌系統(tǒng)混沌序列的概率分布特性。為研究混沌序列在系統(tǒng)平衡點(diǎn)處的概率分布特性，通過在平衡點(diǎn)處建立超平面，把系統(tǒng)的混沌序列轉(zhuǎn)換為超平面上一系列不動點(diǎn)，然后求得時間序列分量的條件概率分布。研究表

8、明混沌系統(tǒng)軌道在相空間中并不是雜亂無章分布的，在超平面上的這些軌道不動點(diǎn)主要分布在平衡點(diǎn)兩側(cè)，這些點(diǎn)可作為一些混沌控制算法的初始點(diǎn)，有助于提高收斂效率。
　　(5)揭示了工程力學(xué)系統(tǒng)中一些常用的混沌反饋控制方法的內(nèi)在聯(lián)系，拓展了混沌控制方法的應(yīng)用范圍，并證明了穩(wěn)定轉(zhuǎn)換法的穩(wěn)定矩陣可取為非對合矩陣，且非對合矩陣在控制混沌系統(tǒng)的平衡點(diǎn)時具有更高的效率。研究表明常用的全局混沌反饋控制方法和基于梯度方向的局部混沌反饋控制法通常只包含一個搜