三維隔震橋梁近斷層強震反應機理及抗震設(shè)計方法

上世紀末至今，隨著地震動監(jiān)測臺網(wǎng)的規(guī)?；⒕W(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，強烈地震發(fā)生時越來越多地捕捉到了地面及工程結(jié)構(gòu)上的振動記錄，對工程地震學和結(jié)構(gòu)抗震的發(fā)展具有重要意義。從多次強烈地震中已觀測到比較顯著的豎向地震動，而目前國內(nèi)外廣泛發(fā)展、研究和工程應用的建筑及橋梁基礎(chǔ)隔震技術(shù)，都是水平隔震技術(shù)，基本不具有豎向隔震的作用，有時甚至會對豎向抗震不利。如何減輕橋梁結(jié)構(gòu)在近斷層強三維地震作用下的結(jié)構(gòu)震動已成為亟待解決的重要課題。本項目以橋梁結(jié)構(gòu)三維隔震技術(shù)應用基礎(chǔ)理論和方法為研究目標，通過理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗等方法開展三維隔震橋梁近斷層地震反應分析和抗震設(shè)計方法研究。重點開展了以下工作：①分析了橋梁結(jié)構(gòu)三維隔震基本原理及其適用條件；②建立以提出三維隔震支座的力學模型和三維隔震橋梁數(shù)值仿真分析模型，數(shù)值分析三維隔震橋梁的水平和豎向隔震效果；③通過振動臺試驗驗證三維隔震橋梁的水平和豎向隔震效果；④給出三維隔震橋梁的簡化抗震設(shè)計方法實例。通過本項目研究，已完成預期目標，獲得主要研究結(jié)果如下：根據(jù)水平隔震和豎向隔震的基本原理，確定了三維隔震橋梁結(jié)構(gòu)體系的適用條件；建立了已提出的三維隔震裝置的力學性能及計算方法，并通過擬靜力試驗驗證了所提出三維隔震支座的力學性能；研究了低屈服點軟鋼菱形鋼板阻尼器的力學性能，結(jié)果表明，設(shè)置水平放置菱形軟鋼阻尼器的三維隔震支座的豎向耗能能力明顯增強，同時對豎向隔震性能改變并不大；通過地震模擬振動臺試驗驗證了所提出三維隔震支座在連續(xù)橋梁中應用的水平和豎向隔震效果，振動臺試驗研究結(jié)果表明三維隔震橋梁的水平加速度及墩底彎矩隔震效果達到50%-80%左右，跨中豎向振動加速度和跨中彎矩隔震效果達到30%左右；建立了三維隔震橋梁簡化設(shè)計方法。在本項目的支持下，發(fā)表相關(guān)學術(shù)論文10篇，其中SCI檢索論文3篇，EI檢索論文8篇；申請國家發(fā)明專利2項；協(xié)助培養(yǎng)博士生1人，培養(yǎng)碩士生1人；參加國內(nèi)外學術(shù)交流4次；獲得北京市公路科學科學技術(shù)獎三等獎1項。 2100433B

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。

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險環(huán)境中，高墩橋結(jié)構(gòu)動力非線性反應規(guī)律及其影響因素，分析近斷層空間地震動的破壞性效應，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)防提供科學建議。

以近斷層高地震風險地區(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，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)防提供科學建議。 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)。