地震作用下高架桥梁碰撞过程中的波动行为及减震控制

针对高架桥梁在地震中的碰撞应力波对桥梁结构及测试系统的影响，本项目研究了高架桥梁碰撞过程中的应力波和加速度场的空间分布特征，提出了桥梁地震碰撞自恢复减震设备及方法：（1）测试得到了碰撞过程中的应力波信号和加速度信号，明确了应力波的波速、种类及空间分布特征；（2）建立了高架桥梁碰撞分布质量体系分析模型，得到了一维桥面板在碰撞过程中局部质点振动的解析解，数值得到了加速度在不同位置处的峰值分布规律；（3）结合高精度有限元模型得到了整体振动与刚体振动的关系，提出了局部质点加速度和与刚体振动加速度的换算公式，解释了实际试验中局部振动加速度用于后续计算分析存在局限性的问题，给出了单元网格划分精度要求；（4）基于自恢复形状记忆合金橡胶材料，试验和理论研究了该新型碰撞缓冲器的力学性能及其桥梁碰撞过程中的减震效果和可恢复性，研究结果表明，本项目提出的新型自恢复减震控制装置可以有效降低地震灾害，提高高架桥梁体系在地震中的自恢复能力。

本项目针对现有碰撞分析模型中整体加速度与试验测试的应力波产生的局部加速度之间的巨大差异，研究地震作用下高架桥梁碰撞应力波场和加速度场测试方法，以及基于应力波和加速度试验测试数据的碰撞力识别方法；通过结构碰撞有限元分析，研究桥梁碰撞过程中上部结构波动与整体振动的关系，揭示碰撞过程中应力波生成、传播机制及应力场特征、现有宏观碰撞模型与桥梁实际受力状态差异的机理；研究基于碰撞应力波场的高架桥梁碰撞分布质量分析模型、碰撞模型及其参数计算方法；研究金属橡胶-形状记忆聚合物复合材料在冲击荷载下的力学行为与自恢复特性，以及基于该材料的高架桥梁碰撞控制分析方法、效果与自恢复特性。本项目研究将深刻揭示地震作用下高架桥梁碰撞波动行为及波动与振动的相互关系，发展基于应力波的桥梁碰撞分析理论与方法、以及自恢复桥梁碰撞控制体系，丰富桥梁地震工程科学，对城市交通网络地震安全与灾后应急救援具有重要的科学意义和实用价值。

针对城市高架桥梁在地震作用下的碰撞问题，在显式瞬态非线性有限元全过程数值仿真和分析基础上，研究高架桥梁碰撞的物理力学行为和碰撞机理；研究高架桥梁碰撞简化分析方法，发展三维碰撞接触单元模型，确定模型参数的取值方法；研究碰撞对桥梁结构构件力学性能的影响，确定有利和不利碰撞的划分标准，提出考虑碰撞因素的结构构件设计原则；研究高架桥梁碰撞的磁流变半主动控制系统的构造、控制算法、驱动策略，发展桥梁碰撞的智能控制分析理论。通过上述研究，为高架桥梁地震碰撞分析和振动控制提供一套完整的理论方法和实施技术。 2100433B

本项目拟瞄准重大研究计划重大工程的动力灾变的总体目标，针对城市高架桥梁、跨海桥梁和深水高墩桥梁等长大桥梁，系统开展强震作用下长大桥梁的灾变全过程及控制研究。通过研究复杂受力条件下材料、构件的损伤动力效应以及结构的多维非线性动力效应，建立材料、构件的损伤动力本构模型以及结构的多维非线性动力行为模拟模型；通过研究结构－介质之间的动力相互作用效应，建立多点、多维地震作用下长大桥梁考虑结构－介质动力相互作用的非线性地震反应分析方法；通过研究长大桥梁在强震作用下的失效破坏机理和破坏倒塌机制，建立长大桥梁强震灾变全过程的数值模拟方法与动态可视化技术以及强震灾变过程控制的理论与方法，再现强震作用下长大桥梁的损伤、破坏和倒塌的灾变全过程。为建立基于性态的长大桥梁抗震设计及减灾控制的理论与方法，为全面开展重大工程强震动力灾变模拟的系统集成，提供坚实的理论基础和技术支撑，因此具有重大的理论意义和工程价值。 2100433B