近斷層高墩橋梁強震破壞機理及其抗倒塌性能研究

以近斷層高地震風(fēng)險地區(qū)建設(shè)的高墩橋梁結(jié)構(gòu)為研究對象，針對強地震動場模型和近斷層破壞性效應(yīng)，高墩橋強震損傷破壞機理，抗倒塌性能評估，以及高墩橋的減震措施和基于延性的抗震設(shè)防方法等，進行了一系列深入的研究。提出了近斷層空間多點、多維地震動場人工模擬方法，建立了近斷層脈沖型地震動定量提取和合成方法，揭示了近斷層潛在破壞性效應(yīng)及其對高墩橋的影響規(guī)律；提出了考慮地基－橋梁基礎(chǔ)動力相互作用的分析模型，對高墩橋強震作用下破壞、體系失效和倒塌進行分析，闡明了近斷層高墩橋的失效模式和倒塌機制；基于IDA和易損性分析方法，揭示近斷層區(qū)高墩橋梁強震作用下抗倒塌性能，提出基于等效延性的抗倒塌優(yōu)化設(shè)計方法，建立了近斷層高地震風(fēng)險性環(huán)境下高墩橋結(jié)構(gòu)倒塌模式控制方法。部分研究成果對近斷層地區(qū)高墩橋抗震設(shè)計與安全性提升具有極其重要的科學(xué)意義和經(jīng)濟價值，為“一帶一路”沿線橋梁生命線工程的建設(shè)與抗震設(shè)防提供科學(xué)建議。 2100433B

針對淺源地震發(fā)生的極不確定性和強破壞性，以我國近斷層（含跨越斷層）高墩橋梁為研究對象，采用理論分析、數(shù)值仿真和試驗研究相結(jié)合的方法，考慮近斷層強震高風(fēng)險環(huán)境中，高墩橋結(jié)構(gòu)動力非線性反應(yīng)規(guī)律及其影響因素，分析近斷層空間地震動的破壞性效應(yīng)，揭示近斷層場地上高墩橋的強震破壞規(guī)律和倒塌機制。項目預(yù)期將建立近斷層地區(qū)空間多點、多維地震動場模型和生成方法，提出地基－橋梁基礎(chǔ)動力相互作用的子結(jié)構(gòu)分析模型及區(qū)域分解高效算法，再現(xiàn)近斷層高墩橋梁強震作用下結(jié)構(gòu)破壞、體系失效和倒塌全過程，闡明近斷層強震作用下高墩橋梁的失效模式和倒塌機制，揭示近斷層區(qū)高墩橋梁強震作用下抗倒塌性能，建立近斷層高地震風(fēng)險性環(huán)境下高墩橋結(jié)構(gòu)倒塌模式控制理論與方法。預(yù)期研究成果對近斷層場地上高墩橋梁抗震設(shè)計與安全性評價具有極其重要的科學(xué)意義和經(jīng)濟價值，也為進一步探索重大橋梁工程考慮近斷層（含跨越斷層）強震作用的抗震設(shè)防提供科學(xué)建議。

高墩橋梁結(jié)構(gòu)近年來在地震災(zāi)害頻繁的我國西部多山谷地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，開展地震作用下高墩橋梁的抗倒塌性能研究是一項重要的科學(xué)與工程任務(wù)。地震作用下橋梁墩柱在變形過程中剛度、強度會隨著損傷積累而出現(xiàn)退化特性，嚴重影響墩柱的抗倒塌能力。將鋼筋后期強度退化引入到墩柱的退化特性中，是橋梁結(jié)構(gòu)抗倒塌能力評估的關(guān)鍵工作。本項目將研究考慮縱向鋼筋屈曲的高墩橋梁地震災(zāi)變數(shù)值模擬及倒塌機理。采用矩形薄壁空心墩柱擬靜力倒塌試驗研究，建立考慮縱筋屈曲的精細有限元模型并進行參數(shù)分析，提出考慮受壓屈曲的鋼筋應(yīng)力應(yīng)變模型；基于該模型建立模擬高墩墩柱縱向鋼筋受壓屈曲破壞的有限元模型；進而結(jié)合試驗研究和數(shù)值模擬探明墩柱倒塌破壞機理，提出高墩橋梁倒塌破壞判別準則；在此基礎(chǔ)上研究P-Δ效應(yīng)、墩高、地震動輸入方向等因素對高墩橋梁抗地震倒塌能力的影響，從而揭示高墩橋梁地震災(zāi)變倒塌機理。預(yù)期成果能為相關(guān)重大工程的建設(shè)提供科學(xué)支撐。

目前我國大型及超大型城市或城市群的建設(shè)正在加快，這就對城市橋梁的建造速度、經(jīng)濟性及其對建設(shè)場地周邊環(huán)境的影響提出了更高要求。另外，強震區(qū)震后橋梁工程的快速建造與修復(fù)對災(zāi)區(qū)救援和重建起到至關(guān)重要的作用。因此標準化設(shè)計、標準化施工的全預(yù)制橋梁快速建造技術(shù)是未來橋梁工程的一個重要發(fā)展方向。本項目旨在采用理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗等手段研究強震區(qū)柱式橋墩的快速建造關(guān)鍵技術(shù)及其抗震性能和設(shè)計方法。提出全預(yù)制柱式橋墩的節(jié)段連接和節(jié)點連接構(gòu)造模式，建立全預(yù)制柱式節(jié)段橋墩及其連接節(jié)點的非線性行為及其精細化分析模型；揭示強震作用下全預(yù)制柱式節(jié)段橋墩的損傷演化過程、破壞機理與失效模式；提出全預(yù)制柱式橋墩的抗震計算分析理論與設(shè)計方法。本項目研究對加快橋梁建設(shè)速度、提高施工質(zhì)量、減少環(huán)境影響及緩解因橋梁施工造成的交通擁堵問題，同時提高全預(yù)制建造橋梁的抗震防災(zāi)能力具有重要的學(xué)術(shù)價值和廣闊的工程應(yīng)用前景。

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(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)用范圍、完善減隔震技術(shù)理論具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。