李杰学术梯队研究成果概述土木工程防灾国家创新研究群体.docx
《李杰学术梯队研究成果概述土木工程防灾国家创新研究群体.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《李杰学术梯队研究成果概述土木工程防灾国家创新研究群体.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
李杰学术梯队研究成果概述土木工程防灾国家创新研究群体
李杰学术梯队研究成果概述
——生命线工程抗震方向
1生命线工程
生命线工程是指维系区域与城市经济、社会功能的基础工程设施系统，其典型对象包括区域电力系统，城市供水、供气系统以及现代大规模工业生产系统等。
在强烈灾害（如地震、飓风等）袭击下，生命线工程的破坏可以导致城市乃至区域社会、经济功能的瘫痪。
在结构工程领域，经过近三十年的研究工作，已经使生命线工程的研究内涵得到了极大的扩展。
传统的生命线地震工程研究，已经扩展到对于生命线工程抗灾性能、耐久性与运行健康状态的全面关注。
在这一背景下，不仅结构分析与系统研究相结合的学术思想得到了丰富与发展，而且结构分析与设计的基本理论也开始面临新的挑战。
针对生命线工程领域的关键力学问题，李杰教授和他的同事与学生们近15年来较为系统地展开了深入研究工作。
下文将以他们的研究工作为主线，阐述生命线工程研究中的若干基本问题。
1.1工程场地的随机地震动场的数值模拟
众多的生命线工程结构表现出长、大的基本特征，在强烈地震中，由于地震动的空间相关性质，使这些结构表现出与小尺度结构迥然不同的地震动反应。
由于地震动的记录数据有限，更因为地震动场的频率—距离特性受到工程场地岩土特性及分布的显著影响，早期基于强震观测记录的空间地震动场研究存在较大的局限性。
20世纪90年代中期开始，研究者们开始寻求空间地震动场的力学解析模型。
在这一背景下，李杰教授提出了通过随机波动分析建立空间地震动场力学数值模型的基本设想，并与学生一起进行了深入研究工作。
研究成果初步实现了大规模工程场地的空间地震动场数值模拟。
1.1.1确定性工程场地的随机波动分析
在本梯队的研究工作中，首先将廖振鹏院士发展起来的多次透射人工边界及与之相应的时域有限元方法与林家浩教授所建立的随机振动分析的虚拟激励法相结合，发展了确定性工程场地在随机地震输入条件下的随机波动分析方法。
对具体工程场地的随机波动分析表明，这一建议方法取得了预期的成功（图1）。
（a）互谱密度实部（b）自谱密度
图1由场地随机波动分析给出的地震动谱密度
1.1.2具有随机介质场地的随机波动分析
岩土介质的显著特征是其物性参数的离散性。
因此，在确定性工程场地随机波动分析研究基础上，进一步发展了具有随机介质场地的地震动随机场的数值分析方法。
对于随机地震动输入，可将问题转化为扩阶系统在一组虚拟激励下的动力响应分析问题。
通过随机结构分析的正交展开理论与虚拟激励原理的有效结合，可以将复杂的随机介质场地在随机输入作用下的波动分析问题转化为一系列的确定性动力时程分析问题。
并且，由于引入了输入地震动场的相关结构分解，这一方法也同时适用于非一致地震输入时的空间地震动随机场分析。
图2即为对一具体场地的分析实例。
考察图2可见：
迟滞相干函数值在场地卓越频率附近有明显的下凹。
这一现象，恰恰是强地震动台阵观测记录中所发现的典型特征，从而部分验证了这里所发展的分析方法的合理性。
（a）1点处的加速度响应谱密度（b）两点间的迟滞相干函数
图2单一土层随机介质场地自由表面相干函数分析实例
1.2结构非线性反应概率密度演化分析
李杰教授通过仔细研究工程结构非线性分析理论发现：
在结构层次，结构非线性表现与结构本质随机性影响是互相耦联的。
这种相互耦联作用使得结构层次的非线性反应在本质上具有不可精确预测的特性。
基于这一基本认识，李杰教授和学生一道，在结构随机非线性反应问题上开展了系统的研究工作。
沿着“从本构到结构”的基本思路，分别进行了随机损伤本构关系、结构非线性随机模拟分析、结构非线性反应概率密度演化分析等系列研究工作。
1.2.1随机损伤本构关系
经典的混凝土本构关系一般是确定性的，反映混凝土力学行为中固有的性质。
基于这种，李杰教授与其学生一起，展开了混凝土随机损伤本构关系研究的探索。
基于合理的混凝土单轴受拉和受压细观随机损伤模型，通过将随机变量引入混凝土本构关系表达式，当前李杰教授领导的学术梯队已经成功导出二维混凝土随机损伤本构关系。
这种本构关系分析出的结果不仅均值与目前国际公认的Kunfer准则拟合得非常好，而且其计算均值及一倍方差所形成的二轴强度包络图还可以将Kunfer的所有试验数据完全包含其中。
有关这种随机损伤本构关系的具体研究成果请关注李杰学术梯队近期发表的学术论文。
1.2.2结构非线性随机模拟分析
实践证明，荷载层次上的随机性在众多场合下（如地震、大风等）不能被忽略。
李杰教授及其学生的研究则初步证实：
结构参数的随机性，也可以导致结构内力与变形的大幅度随机涨落。
在结构动力分析中，尤其如此。
图3示出了对一八层混凝土框架结构的静、动力分析结果。
表1列出了动力分析条件下（输入EL-centro地震波）结构最大层间位移变异系数的分布。
这些结果表明：
结构反应变异系数可以达到结构参数本身变异系数的3～5倍。
（a）静力推覆层间位移均值与均方差（b）动力分析层间位移均值与均方差
图3混凝土框架的随机反应分析
表1混凝土框架动力分析各层最大层间位移变异统计
第一层
第二层
第三层
第四层
第五层
第六层
第七层
第八层
10%变异情况下
48%
41%
26%
28%
23%
30%
31%
31%
20%变异情况下
71%
67%
45%
38%
36%
49%
51%
51%
出现结构反应大幅度随机涨落现象的本质原因在于结构损伤具有随机演化特性。
由于结构非线性内力重分布规律与结构损伤的随机发生规律的共同作用，导致结构非线性反应在本质上具有不可精确预测的特点。
这一研究发现，从一个重要侧面解释了长期以来混凝土结构试验与混凝土非线性反应分析结果之间存在明显差异的根本原因。
1.2.3随机结构非线性反应分析的概率密度演化分析
把握结构随机非线性反应的理想途径是考察其反应概率密度演化过程。
经过反复探索，李杰教授和学生们发展了结构随机反应分析的概率密度演化方法。
图4和5是针对一个8层剪切型框架结构，分别考虑线性和非线性情况进行分析的结果。
图6是将——实际工程——大型混凝土蛋形消化池作为线性随机结构进行概率密度演化和可靠度分析的结果。
从以下各图可以看出：
结构反应概率密度具有复杂的演化过程，在不同时刻，结构非线性反应的概率密度分布可能呈单峰、多峰等形式的复杂分布，远非正态分布或其它简单概率分布模型所能模拟。
这一发现，预示着传统结构可靠性分析理论即将面临的重大转折。
1.3结构抗震研究
随着人类对于地震破坏作用不断的深入认识，大型复杂结构抗震性能的研究以及如何降低甚至控制结构在地震作用下的反应已经成为结构工程领域的热点问题。
作为一位高度关注结构工程领域最新发展动态的研究工作者，李杰教授提出了工程系统基于风险的抗震设计思想，并就结构抗震研究中的若干关键问题进行了深入的研究。
图15地震次生火灾发生的模拟
图16次生火灾静态危险性分析图17次生火灾动态危险性分析
图18地震次生火灾最佳扑救路径分析
1.3.1层间隔震结构研究
随着隔震研究在中国的蓬勃发展，工程实践中开始在结构中部设置隔震层并将隔震垫置于柱端部，从而形成柱端隔震或层间隔震体系。
作为一类新型结构体系，有必要对其进行振动台模型试验以研究检测其隔震性能。
李杰教授学术梯队结合福建省泉州市吉源花园小区兴建的一批隔震房屋，通过对层间隔震结构及基础固定结构的房屋模型在多遇地震和罕遇地震下的振动台试验，全面考察了层间隔震结构体系的动力反应和整体抗震性能以及层间隔震结构和非层间隔震结构动力反应和抗震性能的差异，研究了不同支座模型的动力特性，为实际工程的设计和施工提供验证和依据。
图28即为层间隔震结构房屋振动台试验现场模型。
图28层间隔震结构房屋振动台试验现场模型
1.3.2大型特殊结构抗震性能研究
流固耦合问题是受到力学界广泛关注的前沿课题，其中，弹性储液容器的抗震计算由于其在工程实践中的大量出现,是较为典型的流固耦合问题。
在中国蛋形消化池设计中，由于其是变厚度双曲壳体结构，动水压力求解比较困难，所以迫切需要有处理动水压力问题的工程简化方法。
本文通过国内外第一次振动台试验及其有限元建模，对预应力蛋形消化池进行了深入的研究分析。
通过有限元分析结果和试验结果的比较，证明了用于蛋形消化池抗震计算的有限元模型的合理性。
根据该模型，对现有规范中提供的动水压力公式进行了修正，提出了适用于蛋形消化池在任意高度、任意位置的动水压力的简化计算公式。
用于随机结构在随机载荷下的概率密度演化方法近年来得到了迅速发展。
本文对混凝土结构的随机弹性模量、结构的随机边界条件、随机地震动输入几种情况下消化池结构的响应进行了计算分析，结果表明概率密度演化方法是有效的。
在分析中得出结论：
根据现有抗震规范任取3条确定性地震波的规定对于抗震设计来说是偏于不安全的，应该通过基于物理的随机地震动模型获得结构随机响应的概率分布，并基于结构可靠度进行抗震设计。
1.3.3混凝土结构抗震性能研究
1.3.4多点激励结构抗震可靠度分析
1．
通过多年研究，李杰教授发现现有的结构抗震可靠度分析方法至少存在三方面的缺点：
①只能计算峰值反应的均值，而无法给出峰值反应的标准差，从而无法进行合理的抗震可靠性分析；②均没有进行合理的验证工作；③需要通过繁琐的数值积分来求解反应谱组合公式中的相关系数或谱参数，不利于工程实际的应用。
针对这些缺点，李杰教授和他的学生推导出了一种反应谱分析方法，可以同时计算结构峰值反应的均值和标准差。
在此基础上，发展了非一致地震激励条件下的结构抗震可靠度分析方法。
通过引入一些合理的假定，大大地简化了谱参数的求解过程，从而无需再进行数值积分运算。
计算结果表明：
新方法具有其它方法无可比拟的计算效率，且具有良好的计算精度。
1.4结构损伤识别与健康监测
生命线工程研究现代发展的重要特征，是对于生命线工程结构与系统的耐久性及运行可靠状态的关注。
这必然涉及结构的运行状态评估、损伤识别与健康监测等一系列具有重要工程价值的问题。
其中，结构损伤识别属于力学研究的关键课题之一。
从力学角度考虑，结构损伤识别的实质是在结构动力检测信息的基础上的结构实验建模工作。
李杰教授主要进行了时域直接法方面的研究工作。
在研究进程中，发展了参数卡尔曼识别方法、随机结构建模思想、结构动力复合反演技术等。
C.O.V=0.1C.O.V=0.3
ThemeanandthestandarddeviationcomparedwiththeMonteCarlosimulation
ThePDFatcertaininstantsoftimeThePDFevolvingwithtimeThecontourofthePDFsurface
Figure4An8-storyframesubjectedtoearthquakeexcitation
ComparisonbetweenPDEMandMCMThePDFatcertaintimeinstances
ThePDFevolvingwithtimeThecontourofthePDFsurface
Figure5An8-storynonlinearframesubjectedtoearthquakeexcitation
linearstochasticstructure
6850elements，3250concreteelements，3600waterelements,over200
升级会员 