基于拓扑的结构鲁棒性定量分析

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1、上海交通大学博士学位论文基于拓扑的结构鲁棒性定量分析博士研究生：高扬学号：0090109049导师：刘西拉教授申请学位：工学博士学科：结构工程所在单位：船舶与建筑工程学院答辩日期：2014年12月授予学位单位：上海交通大学万方数据DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofDoctorofPhilosophyTOPOLOGY-BASEDQUANTITATIVEANALYSISOFSTRUCTURALROBUSTNESSCandidate：Y

2、angGaoStudentID:0090109049Supervisor：ProfessorXi-laLiuAcademicDegreeAppliedfor：Ph.DofEngineeringSpecialty：StructuralEngineeringSchoolofNavalArchitecture,OceanAffiliation：andCivilEngineeringDateofDefence：December,2014Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongU

3、niversity万方数据摘要摘要在我国城镇化推进的过程中，工程结构的安全性问题一直比较突出。除传统的安全问题外，结构规模的加大、建筑形式的更新和新型材料的运用，使得结构在局部损伤下发生不成比例破坏的风险急剧增加.特别自2001年美国纽约世贸中心发生的911事件后，建筑结构遭受的突发事件、尤其是人为主动破坏引起了工程界的严重关注。结构鲁棒性的概念就是针对突发事件这种新型荷载形式而提出的，其衡量的是结构在突发的局部损伤下不致发生不成比例破坏的能力。作为结构安全理念的发展，结构的鲁棒性要求的是结构内部结点和构件连接等拓扑关系

4、的合理性，结构内部不应存在“动一发而牵全身”的致命缺陷，实际上更加严格地保证结构体系的安全性。提高结构的鲁棒性已被视为与增加构件的安全储备、加强施工的安全监督同等重要，是确保结构安全不可忽视的三个重要措施之一。如何对结构鲁棒性进行定量评估，以及在此基础上对结构体系做出合理的概念设计，是目前工程界最具挑战性的前沿问题之一。本文的内容属于结构鲁棒性分析的基础研究，工作主要包括结构鲁棒性的定量评估、鲁棒性设计和相应的工程案例分析三部分。在结构鲁棒性的定量评估方面，作者结合突发事件对结构造成的直接后果和间接后果的特点，将结构的拓

5、扑集中到结点与结点的邻接关系和结点与构件的关联关系；邻接关系反映两结点之间是否会产生相互作用及相互作用的大小，关联关系反映一个结点通过多少个构件与周围结点产生作用。在此基础上，选取各构件截面积的摄动作为对结构引入的小扰动，选取结点的势能作为结点间相互作用的标量形式，利用传递矩阵建立扰动和结点势能变化之间的关系，通过考察传递矩阵各列向量、行向量及矩阵本身的特性，来评估构件的影响性、结点的敏感性和结构的鲁棒性。在鲁棒性设计方面，作者提出“传统设计为主，鲁棒考虑为辅”的结构设计思I万方数据摘要想，指出改善结构鲁棒性的措施均需满

6、足常规设计的要求。同时给出两种设计方法分别应对未有结构的概念设计和已有结构的鲁棒改善。前者以基结构各构件的截面参数为设计变量，以结构常规设计要求为变量的域，并以结构鲁棒性指标最大为目标；通过优化变量得到满足鲁棒性要求的结构。后者通过考察已有结构的传递矩阵，寻找结构的命门，通过调整部分结点间的联系使“命门”弥散，从而达到提高结构鲁棒性的目的。在工程案例分析方面，作者选取几组工程案例进行分析，指出常规设计和带有鲁棒性考虑的结构设计之间的区别，同时给出一些建议，以期对实际工程产生指导意义。关键词：结构鲁棒性，结构易损性，拓扑关

7、系，传递矩阵，构件影响性，结点敏感性，鲁棒设计II万方数据ABSTRACTABSTRACTIntheprocessofChina'surbanizationadvancement,thesafetyofengineeringstructuresisverycritical.Inadditiontothetraditionalsafetyissues,thefailureriskofstructureunderlocaldamagesisincreasingsharplywiththeenlargementofthestr

8、ucturalscale,theupdateofthearchitecturalformandtheapplicationofthenewmaterials.Sincethe911eventatNewYorkWorldTradeCenterinUS,thesuddeneventespeciallythehumanac