近断层高墩桥梁强震破坏机理及其抗倒塌性能研究

以近断层高地震风险地区建设的高墩桥梁结构为研究对象，针对强地震动场模型和近断层破坏性效应，高墩桥强震损伤破坏机理，抗倒塌性能评估，以及高墩桥的减震措施和基于延性的抗震设防方法等，进行了一系列深入的研究。提出了近断层空间多点、多维地震动场人工模拟方法，建立了近断层脉冲型地震动定量提取和合成方法，揭示了近断层潜在破坏性效应及其对高墩桥的影响规律；提出了考虑地基－桥梁基础动力相互作用的分析模型，对高墩桥强震作用下破坏、体系失效和倒塌进行分析，阐明了近断层高墩桥的失效模式和倒塌机制；基于IDA和易损性分析方法，揭示近断层区高墩桥梁强震作用下抗倒塌性能，提出基于等效延性的抗倒塌优化设计方法，建立了近断层高地震风险性环境下高墩桥结构倒塌模式控制方法。部分研究成果对近断层地区高墩桥抗震设计与安全性提升具有极其重要的科学意义和经济价值，为“一带一路”沿线桥梁生命线工程的建设与抗震设防提供科学建议。 2100433B

针对浅源地震发生的极不确定性和强破坏性，以我国近断层（含跨越断层）高墩桥梁为研究对象，采用理论分析、数值仿真和试验研究相结合的方法，考虑近断层强震高风险环境中，高墩桥结构动力非线性反应规律及其影响因素，分析近断层空间地震动的破坏性效应，揭示近断层场地上高墩桥的强震破坏规律和倒塌机制。项目预期将建立近断层地区空间多点、多维地震动场模型和生成方法，提出地基－桥梁基础动力相互作用的子结构分析模型及区域分解高效算法，再现近断层高墩桥梁强震作用下结构破坏、体系失效和倒塌全过程，阐明近断层强震作用下高墩桥梁的失效模式和倒塌机制，揭示近断层区高墩桥梁强震作用下抗倒塌性能，建立近断层高地震风险性环境下高墩桥结构倒塌模式控制理论与方法。预期研究成果对近断层场地上高墩桥梁抗震设计与安全性评价具有极其重要的科学意义和经济价值，也为进一步探索重大桥梁工程考虑近断层（含跨越断层）强震作用的抗震设防提供科学建议。

高墩桥梁结构近年来在地震灾害频繁的我国西部多山谷地区得到了广泛的应用，开展地震作用下高墩桥梁的抗倒塌性能研究是一项重要的科学与工程任务。地震作用下桥梁墩柱在变形过程中刚度、强度会随着损伤积累而出现退化特性，严重影响墩柱的抗倒塌能力。将钢筋后期强度退化引入到墩柱的退化特性中，是桥梁结构抗倒塌能力评估的关键工作。本项目将研究考虑纵向钢筋屈曲的高墩桥梁地震灾变数值模拟及倒塌机理。采用矩形薄壁空心墩柱拟静力倒塌试验研究，建立考虑纵筋屈曲的精细有限元模型并进行参数分析，提出考虑受压屈曲的钢筋应力应变模型；基于该模型建立模拟高墩墩柱纵向钢筋受压屈曲破坏的有限元模型；进而结合试验研究和数值模拟探明墩柱倒塌破坏机理，提出高墩桥梁倒塌破坏判别准则；在此基础上研究P-Δ效应、墩高、地震动输入方向等因素对高墩桥梁抗地震倒塌能力的影响，从而揭示高墩桥梁地震灾变倒塌机理。预期成果能为相关重大工程的建设提供科学支撑。

目前我国大型及超大型城市或城市群的建设正在加快，这就对城市桥梁的建造速度、经济性及其对建设场地周边环境的影响提出了更高要求。另外，强震区震后桥梁工程的快速建造与修复对灾区救援和重建起到至关重要的作用。因此标准化设计、标准化施工的全预制桥梁快速建造技术是未来桥梁工程的一个重要发展方向。本项目旨在采用理论分析、数值模拟和模型试验等手段研究强震区柱式桥墩的快速建造关键技术及其抗震性能和设计方法。提出全预制柱式桥墩的节段连接和节点连接构造模式，建立全预制柱式节段桥墩及其连接节点的非线性行为及其精细化分析模型；揭示强震作用下全预制柱式节段桥墩的损伤演化过程、破坏机理与失效模式；提出全预制柱式桥墩的抗震计算分析理论与设计方法。本项目研究对加快桥梁建设速度、提高施工质量、减少环境影响及缓解因桥梁施工造成的交通拥堵问题，同时提高全预制建造桥梁的抗震防灾能力具有重要的学术价值和广阔的工程应用前景。

针对近断层地震中显著的竖向地震动特征及水平减隔震技术不能有效隔离竖向地震动等问题，如何减轻桥梁结构在近断层强三维地震作用下的工程震害已成为亟待解决的课题。本项目以桥梁结构三维隔震技术理论和应用为研究目标，通过理论分析、数值仿真和动力试验等方法开展三维隔震桥梁近断层地震反应及抗震设计方法研究。首先，理论分析桥梁结构三维隔震原理及其适用条件；其次，建立已提出的三维隔震装置力学模型，采用已提出的三维隔震装置作为支座建立三维隔震桥梁有限元模型，通过数值仿真研究三维隔震桥梁在近断层三维地震作用下的动力反应及其主要影响因素；然后，设计制作一座三维隔震桥梁缩尺模型结构，通过地震模拟振动台试验验证三维隔震桥梁的水平和竖向隔震效果；最后，提出三维隔震桥梁结构体系的抗震设计方法并给出设计实例。本项目的开展对于提高桥梁结构多维地震安全性、拓展三维隔震技术应用范围、完善减隔震技术理论具有重要的科学价值和现实意义。