桥梁结构的系统研究论文

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1、桥梁结构的系统研究论文摘要：本文用系统研究的思想来系统地理解桥梁结构的一些新领域。分析表明桥梁结构是一个要素和结构复杂、具有生存环境和结构功能的动力学系统。系统研究思路已应用于桥梁结构系统识别和健康监测，通过主动施加外部能量来实现对系统的控制。桥梁结构系统具有分形特征，分维值对结构非线性的描述是一个有效的工具。关键词：系统桥梁分形一、系统论1945年贝塔郎菲提出了一般系统论的新思维，随后维纳、申农分别提出了控制论和信息论，从而使得人们对事物整体和部分的关系看法由机械整体性发展到系统整体性。60～70年代

2、间，系统科学出现了耗散结构论（普里高津）、协同论（哈肯）、超循环论（艾根）和突变论（托姆），主要讨论系统的存在、发展和消亡，强调任何一个净化系统都能够自行组织.freelan动态规划等现代控制理论方法【5】。在系统与控制理论中，主要研究动力学系统。桥梁结构在动力荷载作用下，表现为不确定性的随机系统，其非线性行为受到越来越多的关注和研究。尤其在桥梁的抗震和抗风领域，近年来从传统的抗震抗风设计思路发展到结构控制思想。目前的结构控制方式主要有被动控制、主动控制和混合控制，被动控制是通过支座、阻尼器等装置来消耗

3、输入系统的外部环境能量；主动控制的基本思想是通过主动施加外部能量来抵消和消耗环境输入能量，使偏高平衡状态的系统在新的注入能量流作用下找到平衡。早在1890年，最早的隔震器就产生了，当前已应用的有叠层橡胶、旋转弹簧等多种支座和弹塑性、粘性、干摩擦等阻尼器用于对系统的被动控制。Constantinou在1991年提出了采用位移控制装置和滑动支座相结合的滑动隔震体系，最大限度地减少了输入能量向结构系统的传递4.有些主动控制技术（如AMD）已经进入实用阶段，在日本已经建成了一批主动控制的建筑。通过主动控制，一方

4、面可以用最有效的方法抵抗外部激励，另一方面可以直接减小输入到结构上的激励水平。当前有主动连杆控制技术和主动调质阻尼器系统（AMD）技术实现对系统的主动控制。混合控制系统当前主要有对振动控制系统、混合基础隔震系统和可变阻尼系统。当前的这些技术还处于发展之中，不但在桥梁抗震抗风领域，而且在房屋等建筑领域甚至是整个土木工程都有广阔的应用前景。3．系统非线性机理传统自然科学趋向于强调稳定、有序、单一、均匀与平衡，带有线性的色彩，到本世纪70年代前后，自然科学的锋芒开始转向现实世界的失稳、无序、多重性、不均匀和非

5、平衡等方面。非线性系统已成为自然科学的主要研究对象，因为非线性是一切复杂现象的本源5。1973年，费根包姆提出的混饨理论大大推进了非线性理论在系统科学中的应用，混饨理论、分形论、孤波理论共同构成系统动力学理论，探讨系统的非线性机制。桥梁结构系统也是一个混饨系统，具有不可预测性、不可分解性和存在规律性，而且这一混饨系统具有分形性质，即自相似性。这里重点讨论桥梁系统动力学行为特别是桥梁抗震系统中的分形特征。（1）分形与分维1977年，Mandelbrot出版了专著《分形、机遇和维数》（Fractal：For

6、m，ChanceandDimension，Freemen，SanFrancisco,.freelonds对一个具有两个自由度的梁构件模型在瞬时冲击荷载作用下的弹塑性反应进行了分维研究，计算得自相似维数为0.78，表明位移反应图对冲击荷载标度具有独立性［7。（2）桥梁抗震及分形特征如同分形广泛存在于自然科学和社会科学的诸多领域中一样，分形同样存在于桥梁抗震领域［10］①作为输入荷载的地震动，其能量具有分形特征，而且能量分维Dfe有可能成为地震预报的新参数。②地震动反应谱，作为地震动特性与结构动力反应相互联

7、系的纽带，也是统计意义上的分形结构，它也决定了结构反应的分形特征，特别是以周期为标度，结构反应应该与反应谱具有一致的无标度区。③对墩柱破坏准则的研究发现，变形一能量双重破坏准则的破坏指数是划分桥梁域往不同破坏程度的合理指标，以输入地震动的峰值或以墩柱体积配箍率为标度，破坏指数具有近似分维特征。建立连续梁桥等代分析模型，代替复杂的结构有限元模式来分析结构的地震反应。通过理论分析与桥例计算可见，以刚度比为标度，结构周期、墩底弯矩和墩顶位移反应存在无标度区；以周期为标度．墩底弯矩和墩顶位移反应同样具有明显的分

8、形特征．与反应谱所体现的分形特征一致【8】。结合南京长江二桥南汉桥和杨浦大桥两个桥例，建立有限元模型，考虑边跨主跨跨径比、梁墩刚度、局部构件、支座单元等对结构动力反应的影响。通过分析可以发现，对于不同的标度，无论是跨度比、梁墩刚度比还是支座的刚度等等。动力反应都表现出近似多重分形特征，分维值可以反映动力反应对于不同标度的敏感程度【9】。研究桥梁结构动力特性是否具有分形特征，是分形和分维概念应用于桥梁结构动力分析领域中的关键点。通过对国内外大