近斷層地震作用下高架橋地震反應及其減隔震控制研究

采用MIDAS及ANSYS等大型有限元軟件，基于塑性鉸理論使用纖維梁單元模擬橋墩的非線性滯回曲線模型，分別采用板式橡膠支座、盆式橡膠支座以及新型MREs智能支座，比較了不同地震動激勵輸入方式下的結(jié)構(gòu)反應及破壞形式。并著重對比分析了近斷層地震激勵輸入下高架連續(xù)梁橋的振動響應特點，發(fā)現(xiàn)與非近斷層地震動輸入相比，縱向振型頻率與近斷層地震的卓越頻率接近的高架連續(xù)梁橋，其在近斷層地震輸入下結(jié)構(gòu)響應明顯增大，尤其在縱向輸入下固定墩內(nèi)力更大，結(jié)構(gòu)更易發(fā)生梁端碰撞和落梁等破壞現(xiàn)象。因此對于橋墩較高或一聯(lián)跨數(shù)較多的連續(xù)梁橋，其在近斷層地震激勵下的結(jié)構(gòu)響應分析及抗震設(shè)計需引起重視?；趯嶋H工程的一座四跨高架連續(xù)梁橋，進行大比例尺模型設(shè)計及振動臺臺陣試驗，由此觀察近斷層地震動激勵下高架連續(xù)梁橋的地震動響應規(guī)律，具有一定的試驗參考意義。為降低近斷層地震作用下高架連續(xù)梁橋的地震反應，分別采用了盆式橡膠支座和板式橡膠支座，并選取了兩種地震波作為輸入激勵，對比分析了兩種支座情況下的結(jié)構(gòu)地震響應結(jié)果，固定墩根部的內(nèi)力值均有所減小，彎矩值最大下降29.5%，剪力值最大下降了18.2%，可見橋墩的受力更為合理和平均，從而提高了連續(xù)梁橋的抗震能力。最后提出一種基于碳納米管加強的新型MREs智能支座裝置，兼具傳統(tǒng)支座和lock-up裝置的功能，又具有較高的耗能能力，在同一地震激勵輸入下，梁端位移降低了50%，固定墩和滑動墩的剪力及彎矩分配更為均衡，從而提高了安全系數(shù)和抗震能力。當然同lock-up裝置類似，該智能支座的使用也應滿足一定的條件，即結(jié)構(gòu)體系改變后，連續(xù)梁橋的自振頻率仍在地震波反應譜的長周期段，而不是進入到地震波反應譜的直線段。 2100433B

近幾十年來的幾次大地震中，近斷層地震記錄的增多使此類地震動的特性也越來越被科研者所認識；目前高架橋抗震設(shè)計主要是基于現(xiàn)行規(guī)范中的遠場地震動輸入，而在幾次近斷層地震中卻遭到嚴重破壞，甚至有些高架橋進行了隔震設(shè)計也在近斷層地震中發(fā)生了嚴重的損傷；交通事業(yè)的飛速發(fā)展使得高架橋不可避免的會處于斷層附近，所以研究近斷層地震下的高架橋地震反應規(guī)律并對其進行減隔震控制進行研究值得深入。本項目將立足國內(nèi)外研究成果，選取典型高架橋進行大比例縮尺模型的模擬地震振動臺臺陣試驗和橋梁原型結(jié)構(gòu)的理論分析與數(shù)值模擬，對空間近斷層地震動作用下高架橋的動力反應特點、破壞形式和破壞機理進行深入的理論分析和實驗研究，在此基礎(chǔ)上開發(fā)新型適合提高高架橋在近斷層地震中的抗震性能的減隔震裝置。本項目研究成果將為近斷層地震作用下提高高架橋的抗震性能并采取有效的抗震對策奠定一定的基礎(chǔ)，并為有關(guān)橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的修訂和完善提供科學的依據(jù)。

為給我國大量修建在高烈度區(qū)靠近斷層的大跨度橋梁設(shè)計提供抗震建議及對策，本項目針對近斷層地震的脈沖特點，重點研究在此類地震作用下中等跨度斜拉橋的動力響應和抗震策略。在項目資助期間，主要進行了以下5個方面的研究工作：1）近斷層脈沖地震特性及其引起的斜拉橋動力響應研究，2）阻尼器在近斷層脈沖地震作用下的使用效果和適用性，3）近斷層脈沖引起的橋塔的破壞模式和非線性性能研究，4）橋塔的振動臺試驗研究和5）斜拉橋在近斷層脈沖作用下的抗震策略研究；通過上述研究工作，取得到了下述研究成果：1）近斷層脈沖效應會對斜拉橋的橋塔會產(chǎn)生2~3倍于普通地震（加速度峰值相同）的內(nèi)力響應與塔梁間的相對位移，而且當脈沖周期0.5T0 2100433B

近斷層地震由于其顯著的脈沖特性，導致土木工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生災難性破壞，引起了國際上研究者的極大關(guān)注和重視，而我國對此的研究起步相對較晚，對修建在高烈度區(qū)活性斷層附近或橫跨地震斷層的橋梁的抗震性能，由于缺乏必要的理論研究和資料儲備，目前已成為橋梁工程實踐中一個亟需解決的技術(shù)難題。本項目擬針對斜拉橋結(jié)構(gòu)，提出斜拉橋在近斷層脈沖作用下的動力響應及其對策研究的課題，旨在通過對近斷層地震動的認識，研究其作用下斜拉橋的動力響應特點和可能的破壞模式，深入了解斜拉橋的近斷層抗震性能，探索有效的抗震措施，為我國修建在高烈度區(qū)靠近斷層的大跨度橋梁設(shè)計提供抗震建議及對策。研究的主要內(nèi)容包括：1）近斷層脈沖地震特性及其引起的斜拉橋動力響應研究，2）考慮動力失穩(wěn)的斜拉橋抗震計算理論和方法研究，3）近斷層脈沖引起的橋塔的破壞模式研究，4）橋塔的振動臺試驗研究和5）斜拉橋在近斷層脈沖作用下的抗震措施研究。

針對近斷層地震中顯著的豎向地震動特征及水平減隔震技術(shù)不能有效隔離豎向地震動等問題，如何減輕橋梁結(jié)構(gòu)在近斷層強三維地震作用下的工程震害已成為亟待解決的課題。本項目以橋梁結(jié)構(gòu)三維隔震技術(shù)理論和應用為研究目標，通過理論分析、數(shù)值仿真和動力試驗等方法開展三維隔震橋梁近斷層地震反應及抗震設(shè)計方法研究。首先，理論分析橋梁結(jié)構(gòu)三維隔震原理及其適用條件；其次，建立已提出的三維隔震裝置力學模型，采用已提出的三維隔震裝置作為支座建立三維隔震橋梁有限元模型，通過數(shù)值仿真研究三維隔震橋梁在近斷層三維地震作用下的動力反應及其主要影響因素；然后，設(shè)計制作一座三維隔震橋梁縮尺模型結(jié)構(gòu)，通過地震模擬振動臺試驗驗證三維隔震橋梁的水平和豎向隔震效果；最后，提出三維隔震橋梁結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計方法并給出設(shè)計實例。本項目的開展對于提高橋梁結(jié)構(gòu)多維地震安全性、拓展三維隔震技術(shù)應用范圍、完善減隔震技術(shù)理論具有重要的科學價值和現(xiàn)實意義。