基于损伤累积效应的桥隧搭接结构地震动力响应研究

目前国内外对软弱围岩条件下的桥隧搭接结构在多次地震作用下的损伤评估和地震响应的研究工作开展得很少，相关工程抗震设计和震害评估工作还缺乏试验参考和理论支撑。本课题综合利用大型振动台试验、室内材料性能试验、数值模拟和理论分析等多种研究方法，研究了不同地震作用下桥隧搭接结构的地震动力响应与灾变行为。研究结果显示，在强烈地震作用下，桥隧搭接结构多处薄弱和敏感结构部位将会产生显著累积损伤效应与复杂动力响应，不利结构安全与稳定。地震动参数尤其地震波加载方向、激振强度和能量分布类型等的改变，对其损伤累积、动力响应及灾变行为的影响比较显著。通过研究，建立了桥隧搭接结构地震损伤判别标准与动力灾变失效破坏准则。同时，揭示了高速铁路分离式桥隧搭接结构及软弱围岩高速公路桥隧搭接段在地震作用下的损伤演化过程、动力特性和动力响应变化规律及动力灾变破坏机理，提出了适用于软弱围岩条件下桥隧搭接结构抗震性能评价的实用方法与抗震设防措施。本研究为探讨复杂条件下桥隧搭接结构的地震响应规律及其诱发机制奠定了坚实的工作基础，同时为桥隧搭接结构优化设计及防震减灾等提供了重要科学依据与启示性线索。 2100433B

软弱围岩条件下的桥隧搭接结构在中等强度以上地震作用下将产生损伤，结构的刚度和强度等力学性能随之降低，从而直接导致结构动力特性的变化。而如何准确地评价桥隧搭接结构在一次或多次地震作用后的力学性能，则是在充分考虑损伤累积效应后进行结构地震动力响应分析的关键。本申请课题拟在软弱围岩桥隧搭接结构的地震模拟振动台试验及室内材料性能测试的基础上，借助损伤力学和动力学的方法，研究地震作用下桥隧搭接结构的复杂物理和几何非线性的动力响应、损伤灾变行为与理论描述，揭示桥隧搭接结构及围岩土体在地震作用下的结构累积损伤的产生机理及其演化规律，评估不同地震动参数对桥隧搭接结构地震损伤的影响，揭示其地震动力损伤灾变破坏机理，建立桥隧搭接结构的地震损伤及动力灾变失效破坏准则，并提出基于性能设计理论的软弱围岩桥隧搭接结构的抗震性能评价指标与方法。

本研究旨在建立一种新的钢筋混凝土结构基于位移的抗震设计方法，以更好地控制结构的地震损伤。采用能反映地震累积损伤的损伤指标和层间位移角为主要性能指标建立钢筋混凝土结构的抗震性能等级和基于概率可靠度的多级抗震性能目标。建立能反映地震地面运动特性和结构特性、面向设计的等地震损伤延性能力谱，用于求解满足既定抗震性能目标的结构对整体变形能力的要求。研究钢筋混凝土结构整体变形能力与局部(楼层和构件)变形能力的关系，建立简化分析方法，把对结构整体变形能力的要求转变为对构件变形能力的要求。.本项目的研究是对现有基于性能的抗震设计理论的进一步完善和发展，可在一定程度上推动该理论在我国土木工程界的研究和应用，为我国新一代建筑抗震设计规范的制订提供一定的基础和依据。 2100433B

本项目研究取得两项成果。其一是钢筋混凝土结构的地震损伤与损伤容限设计：统计确定了主余震的震级关系，提出了相应的地震动模型建立和参数确定的方法；通过构件和框架结构的地震模拟试验和损伤后的构件和结构的恢复力和动力学特性试验，提出了结构地震损伤和抗力衰减的分析和识别方法；建立起了以控制地震损伤为目标的抗震设计方法。二是金属结构的风振疲劳累积损伤与耐久性设计；提出了疲劳风速谱模型北统计确定了渤海湾的疲劳速谱；提出了基于损伤力学和断裂力学的金属材料和构件的概率累积损伤和抗力衰减分析方法；建立起了金属结构动态服役可靠度分析的基本理论和以此为基础的耐久性设计方法；初步将这些理论和方法用到了海洋平台结构中。 2100433B

危及结构安全的内部损伤往往难以察觉，即使通过现代技术手段也不能得到准确有效的筛查、识别和评判。本项目利用信息熵理论，开展了结构损伤识别与反演研究，取得的主要成果有：使用传递熵来表征结构损伤后结构响应信息传递的线性和非线性程度，通过理论分析、数值模拟和模型实验等方法，探讨了结构损伤的熵变规律，建立了兼具鲁棒性和通用性的传递熵指标，采用传递熵结合替代数据的方法，可用于识别结构损伤（非线性）程度和损伤位置；针对典型构件（风电塔筒/混凝土梁）、典型损伤模式（塔筒法兰盘存在间隙和扭转错位损伤/梁截面裂缝损伤）下各优选的熵指标技术，拟定基于熵指标的损伤度量方法、标准和判据；建立了基于传递熵结合替代数据的结构损伤识别基本框架体系，揭示了其损伤识别的有效性、经济性、敏感性和鲁棒性。成果已应用于大型风电塔筒法兰盘损伤的筛查和定位。本项目研究拓展了现有的结构损伤识别技术，具有重要的理论价值和实际应用前景。 2100433B