《基于特征参量分析的工程结构设计方法研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于特征参量分析的工程结构设计方法研究（142页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、At h e s i ss u b m i t t e dt oZ h e n g z h o uU n i v e r s i t yf o rt h ed e g r e eo fD o c t o rD e s i g nM e t h o dR e s e a r c ho fE n g i n e e r i n gS t r u c t u r eo nC h a r a c t e rP a r a m e t e rA n a l y s i sS u p p o r t e db yt h eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF
2、 o u n d a t i o no fC h i n a ( 5 0 9 7 8 2 3 2 )B yZ e y uW uS u p e r v i s o r ：P r o f F u m i n gW a n gP r o f D o n g w e iW a n gH y d r a u l i cS t r u c t u r eE n g i n e e r i n gS c h o o lo fW a t e rC o n s e r v a n c ya n dE n v i r o n m e n tA p r i l2 0 1 2 原创性声明l I I II II II1
3、 1 1 1I I I II II II Y 2 10 3 0 6 2本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：拗占)日期：必，年乡月( 日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权_ ! J = 1 属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本
4、人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采H j 影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：多_ 抄日期：幽 年月u 日，摘要摘要结构的频率和振型由结构的质量和刚度所决定，且仅与结构的材料特性和几何尺寸有关，是结构的固有特征参量。结构的频率向量表征了结构总体分布刚度与总体分布质量之间的绝对比值关系；结构的振型向量表征了结构局部分布刚度与局部分布质量之间的相对比值关系。振型向量分量的阶次表述了在外界环境作用下，结构最
5、易产生的分解反应类型的顺序。结构的特征参量分析为结构的概念设计和构造设计提供了强有力的量化分析工具。利用特征参量指导结构概念设计和构造设计，进而指导结构性态设计，为结构设计提供了一个新的研究方向。在国家自然科学基金项目“基于特征参量控制的工程结构设计方法研究( 5 0 9 7 8 2 3 2 ) 的资助下，本论文在结构的振型分类和量化定性，以及基于频率的结构设计和基于振型的结构设计方法上做出了一些创造性的工作，期望将结构的特征参量分析应用于结构的性态设计，为实现结构的量化概念设计和量化构造设计进行了探索性的研究。论文的主要成果如下：1对结构的振型进行了分类和量化识别研究。将振型分为对结构有利的
6、和不利的振型。有利振型主要包括单纯的平动振型、弯曲振型或伸缩振型等，不利振型包括剪切振型、扭转振型、局部振型以及由多个单纯振型组成的耦合振型，如剪扭振型、剪弯振型和扭弯振型等，并利用振型方向系数进行振型类型的识别。2指出振型是结构各种反应的完备正交基，推导出了基于振型坐标基的结构位移、应力、应变分解公式，给出了分解公式所需振型数的三种判别式。进而通过对结构有效质量参与系数的分析与控制，提前对结构反应有利的振型阶次，推迟对结构反应不利的振型阶次，实现指导结构概念设计和构造设计的目的。3建立了高耸塔式结构基本频率调整的一般原则。指出进行高耸塔式结构的频率调整应重点以调整结构上部的质量和结构下部的刚
7、度为原则。讨论了结构参量对结构频率影响问题，得到剪力墙数量和厚度、楼板厚度、重心高度及斜撑高度和角度等因素对结构频率的影响规律，并用现场试验的方法予以验证，检验了本论文建议的结构频率调整方法的有效性和可行性，摘要4567为同类工程的施工图设计提供了重要的参考依据。提出了“节点核芯区振型参与度”的基本概念，并藉此进行梁柱节点核芯区力学性能的研究。研究表明：随着梁跨高比和柱剪跨比的增大，各振型节点核芯区振型系数参与度逐渐减小，且现有设计规范中关于适中柱和普通梁的判别值是较为保守的。利用等效荷载法求预应力对频率影响，推导出直线型、折线型和曲线型预应力效应动力学方程式，并给出有限元法求预应力对频率影响
8、的一般计算过程，得到了预应力对频率影响的一般规律。鉴于P u s h o v e r 方法的简单性和可行性，提出了多模态自适应P u s h o v e r 方法( M M A P M ) 。本方法不仅能克服传统P u s h o v e r 方法的缺陷，而且给出了某方向参与计算振型数确定的一般方法、以及根据频率间的相关程度，选用S R S S 法和C Q C 方法进行组合，为结构性态设计提供理论准备。考虑竖向地震作用的桥梁高墩P - d e l t a 效应的能量求解法。与其它方法相比，能量法较为简单，且能考虑竖向地震作用，推导出的通用公式可以直接为类似结构采用。本方法值得在工程实践中推广使
9、用。论文主要创新点：1 提出了基于频率分析的结构概念设计和构造设计新方法利用等效荷载法推导出直线筋、折线筋和曲线筋动力学方程式，并给出有限元法求预应力对频率影响的一般计算过程，得到预应力对频率影响的一般规律。给出了高耸塔式结构基本频率调整的一般原则，即提高结构的基本频率应以降低上部结构的质量、增大下部结构的刚度为主。通过分析，得到了结构剪力墙数量和厚度、楼板厚度、重心高度及斜撑高度和角度等因素对结构频率的影响规律。2 提出了基于振型分析的结构概念设计和构造设计新方法将振型区分为对结构有利的和不利的振型；推导出了基于振型坐标基的结构位移、应力和应变分解公式；给出了分解公式所需振型数的三种判别式。
10、进而通过对结构有效质量参与系数的分析与控制，提前对结构反应有利的振型阶次，推迟对结构反应不利的振型阶次，实现指导结构概念设计和构造设计的目的。I IIA b s t r a c tA b s t r ac tS t r u c t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d ea r ed e c i d e db ym a s sa n ds t i f f n e s s ，o n l yr e l a t e dw i t hi t sm a t e r i a lp r o p e r t ya n dg e o m e t r i cd i m e n s
11、i o n ，a n dn o tr e l e v a n tw i t ho t h e rf a c t o r s S of r e q u e n c ya n dm o d ea rec a l l e db ys t r u c t u r a li n h e r e n tc h a r a c t e rp a r a m e t e r F r e q u e n c yv e c t o ri st h ea b s o l u t er a t i ob e t w e e nt h eg l o b a lm a s sa n dt h eg l o b a ls
12、t i f f n e s s ；m o d ev e c t o ri st h er e l a t i v er a t i ob e t w e e nt h el o c a lm a s sa n dt 1 1 el o c a ls t i f f n e s s T h eo r d e ro fm o d ev e c t o ri sa l s ot h es e q u e n c eo fd e c o m p o s i n gr e s p o n s eu n d e re x t e r n a le n v i r o n m e n t C h a r a
13、c t e rp a r a m e t e rC a nb eu s e dt os u p e r v i s es t r u c t u r a lc o n c e p td e s i g n ，m e c h a n i c a ld e s i g na n dp e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g n D u r i n gt h ew h o l es t r u c t u r ed e s i g n ，t h ec o n c e p td e s i g ni st h es o u lc e n t r ea n dt
14、 h em o s tc o m p l e xs t a g e ，w h i c hd e t e r m i n e st h el o a d - c a r r y i n gc a p a b i l i t ya n dd e s t r u c t i o nf o r m C o m b i n gs t r u c t u r ec h a r a c t e rp a r a m e t e rw i t hc o n c e p td e s i g n ，m e c h a n i c a ld e s i g na n dp e r f o r m a n c e
15、- b a s e dd e s i g n ，i tg i v e ss t r u c t u r ed e s i g nan e wr e s e a r c hd i r e c t i o n S u p p o r t e db yt h eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a ( 5 0 9 7 8 2 3 2 ) t h et h e s i ss u c c e s s i v e l yr e s e a r c h e so nt h ef a c o t o r
16、 si m p a c t i n gt h ec h a r a c t e rp a r a m e t e ra n ds c o p eo fa p p l i c a t i o n F i r s t l y , m o d ei sc l a s s i f i e da n dq u a n t i z e d A n dt h e ns o m ec r e a t i v ew o r ki sd o n eb ys t r u c t u r a ld e s i g nb a s e df r e q u e n c ya n dm o d e ，u s i n gc h a r a c t e rp a r a m e t e ra St o o lt os u p e r v i s ep e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g n I tr e a l i z e se x p l o r a t o r yr e s e a r c ho ft h eq u a n
