基于向量式有限元的强地震动场作用下大跨度斜拉桥的倒塌模式与模式控制研究

向量式有限元将结构体定义成一群质点的组合，整体结构的空间状态通过每个局部的质点运动来描述，并且质点的运动由动力学原理控制，从而结构的运动分析变成求解每个质点的向量方程式。此法为求解大变形、大变位、碰撞、倒塌等力学行为应运而生。本项目以向量式有限元方法作为基本工具，通过理论分析、实验研究、程序开发等手段实现大跨度斜拉桥在强地震动场作用下的倒塌全过程分析及动画演示，研究其倒塌模式，揭示此类结构倒塌破坏的演变机理及共性规律；并探索设计优化和适当补强的方法以控制桥梁在极端情况下发生"合理"倒塌模式；研究联合利用钢筋和碳纤维筋以改善结构抗倒塌性能和采用智能耗能装置增强结构对各类倒塌模式抵御能力的方法，为发展大跨度斜拉桥在地震作用下的动力灾变和倒塌破坏准则及防御方法做出贡献。

向量式有限元是基于向量式力学的一种新的数值计算方法，它通过简单而系统化的程序，求解大变形、大变位、弹塑性、碰撞、倒塌等非线性或不连续力学行为。本项目以向量式有限元作为基本工具，通过理论分析、程序开发、实验研究等手段实现了大跨度斜拉桥在强地震动场作用下的倒塌全过程模拟，揭示了其倒塌破坏的演变机理；探索了其倒塌模式控制方法；为大跨度斜拉桥在地震作用下倒塌破坏及其防御方法提供了研究基础。按计划完成了以下研究内容：（1）基于向量式有限元的大跨度斜拉桥倒塌分析流程及程序设计与开发，包括：①完善了向量式结构力学理论，结合斜拉桥的结构特点，发展了基于向量式有限元的倒塌分析流程；②设计和开发了相应程序。（2）大跨度斜拉桥倒塌全过程仿真及倒塌模式分析，包括：① 用非线性本构关系及向量式有限元程序，实现了斜拉桥在强地震动场作用下的倒塌全过程分析和动画演示；②分析了不同的倒塌模式，如桥塔基底破坏，主梁压弯破坏，支座破坏，拉索破坏等，比较了其危害性。（3）大跨度斜拉桥的倒塌模式控制，包括：① 探索通过设计优化或合理补强的方法，使斜拉桥在极端情况下的倒塌发生在“合理”模式上；②联合应用钢筋和碳纤维筋（CFRP）提高构件二次刚度以改善桥塔抵抗基底破坏的能力；③采用智能磁流变调谐液柱阻尼器(MR-TLCD)控制桥塔振动，以及采用直线式磁流变阻尼器控制拉索振动及梁体位移以减轻破坏的倒塌模式控制方法。已发表科研论文36篇（SCI 9篇、EI 9篇、核心期刊1篇、国际会议论文17篇），出版专著作1部《向量式结构力学》(科学出版社，2012)，申请中、美、日、韩等国家发明专利5项（3项已授权）。组织及参与组织国际学术会议4次，参加国际学术会议15人次，培养博士生2人、硕士生6人。作为培育项目，对集成项目的可能贡献包括：（1）所发展的倒塌分析程序可为倒塌分析提供一种计算平台：它不需要复杂的大型套装商业软件，主程序只需数十行，材料的本构方程、构件的碰撞和断裂规律等，可以由研究者根据理论和实验结果自由设定；采用MATLAB、Fortran语言编写，便于集成和共享；因而可为结构倒塌分析提供计算平台。（2） 所研究的联合应用钢筋和碳纤维筋（CFRP）或高强钢筋提高构件二次刚度的方法、采用智能磁流变调谐液柱阻尼器(MR-TLCD)的桥塔振动控制方法，以及采用磁流变阻尼器的斜拉索智能控制方法可对倒塌模式控制提供借鉴。