基于损伤理论的大跨梁桥地震灾变机理和抗震性能研究

大型复杂结构地震灾变机理的分析理论是当前和今后结构抗震研究的热点和难点。课题组围绕大跨混凝土桥梁地震灾变机理和抗震性能，进行了理论研究和试验验证。研究内容涉及：1）文献分析，指出当前大型复杂桥梁结构地震灾变研究手段的局限性；2）理论模型，根据大跨桥梁震害机理分析的需求，发展了基于损伤本构理论模型的分析方法，给出了计算大型桥梁地震损伤分析的纤维梁模型；3）数值算法，发展了基于变分理论的损伤本构算法，编制了基于大型商业软件的二次开发子程序；4）考虑结构灾变过程中的多重非线性效应（材料、几何、损伤以及阻尼、支座等边界非线性）；5）试验验证，根据理论研究是需要，设计了21个正方形实心和空心、矩形空心截面桥墩模型，进行了拟静力试验研究，关于试验过程的数值模拟显示，给出的理论模型是合理的。 2100433B

结构地震灾变机理的描述方法决定了抗震性能分析手段的选择，而结构地震灾变源于大变形、材料非线性及材料刚度的降低。常用的弹塑性时程分析方法虽然可以考虑几何及材料非线性效应，却无法考虑损伤效应。本项目拟在材料的应力应变层次上考虑损伤问题，建立满足热力学定律的损伤本构模型，通过Lagrange动力分析方法开发损伤梁单元，推导基于自由能等效原理的地震损伤指标公式。结合数值模拟、拟静力和振动台实验，对大跨度桥梁地震灾变机理和灾变过程进行精细化分析。主要研究内容包括：（1）延性构件损伤的拟静力和振动台实验研究，分析构件的损伤机理和性能目标；（2）损伤梁单元的动力分析模型和计算方法；（3）基于损伤的性能抗震设计理论和方法。通过上述研究，深入揭示大跨桥梁地震灾变的物理机制，为结构设计提供一种基于损伤的性能抗震分析手段，实现对大跨度桥梁地震灾变的合理有效控制，提升大跨桥梁的抗震减灾能力。

本项目拟瞄准重大研究计划培育项目中优先资助领域：抗灾设计理论。针对斜拉桥、悬索桥等大跨度桥梁结构，根据大跨度桥梁寿命期内组成结构各部分的重要性、可检性、可修性和可换性以及地震破坏后桥梁结构修复工作（抢修）的难易程度和结构所能承受的损伤、破坏风险，初步建立大跨度桥梁基于性能的抗震设计理论和方法，实现对大跨度桥梁工程地震灾变合理有效控制，提升大跨度桥梁结构防灾减灾能力。重点研究内容为：（1）地震作用下，大跨度桥梁主要结构构件的损伤与性能目标的定量关系；（2）大跨桥梁结构地震易损性分析和地震损伤、破坏风险；（3）大跨桥梁抗震设防标准与相应的性能要求；（4）大跨桥梁基于性能抗震设计方法。 2100433B

迄今为止，对斜交梁桥震害机理的认识仍存在争议，对其地震反应规律的认识也明显不足，且缺乏行之有效的抗震设计方法。本项目以l两跨连续斜交梁桥为对象，制作j九个全桥试验模型，通过开展考虑斜交角、轴压比、长细比、及配箍率等参数影响的系列模拟地震振动台试验，研究斜交梁桥震害产生的原因；结合振动台模型试验、数值模拟分析和理论分析，探讨斜交梁桥的地震反应规律，提出基于主梁侧移率的斜交梁桥概率需求计算模型。 经研究发现，在不考虑碰撞的前提下，斜度增加了桥梁结构纵横向地震反应的耦联性，这种耦联性的提高，使得上部结构的旋转效应更为明显，是上部结构出现碰撞或落梁震害的根源所在；综合考虑长细比、轴压比和斜交角三个因素，正交分析的极差分析结果显示，当斜度在一定范围内时，桥墩长细比对斜交桥动力性能的影响最为显著；与直线梁桥相比，斜交角与长细比是结构震害产生的主要影响因素。 在数值模拟方面，采用材料实际强度建立的斜交梁桥梁格模型（多梁法）较适宜模拟结构的位移响应及梁体扭转效应。 地震反应规律的分析结果显示，当任意交互作用的两个因素固定时，斜度越小、长细比越大、轴压比越小，桥墩墩顶的位移响应就越大；当地震动沿结构纵向输入时，由于板式橡胶支座的隔震作用，桥面板的位移小于桥墩墩顶位移。 在基于概率和性能的抗震设计框架基础上，综合考虑不同场地条件下地震动强度与地震记录的完整性、斜交梁桥结构的特殊性以及其地震反应的主要特点，建立了三类场地条件下基于主梁结构纵横向侧移率的概率地震需求模型。该需求模型以斜交角、跨径及地面峰值加速度为主要参数，该模型的提出简化了斜交梁桥地震反应的需求的计算过程，为结构地震反应的快速评估奠定基础。 2100433B

从1971年圣费尔南多地震、2008年汶川地震到2010年智利地震，均有斜交梁桥出现落梁、过大横向位移或墩柱严重破坏等震害。由于斜交梁桥震害问题较直桥严重得多，研究者自1971年圣费尔南多地震后就开始对其震害机理、地震反应、抗震设计等问题开展研究；然而迄今为止，对斜交梁桥震害机理的认识仍存在争议，对其地震反应规律的认识也明显不足，且缺乏行之有效的抗震设计概念和构造措施。本项目以典型单跨简支及多跨连续斜交梁桥为对象，制作全桥试验模型，通过开展考虑斜交角、跨度、桥宽、支承刚度、桥墩刚度、地震动输入方向等参数影响的系列模拟地震振动台试验，深入研究斜交梁桥的震害机理；结合振动台模型试验、数值模拟分析和理论分析，研究考虑主要设计参数及不同地震动输入方向影响的斜交梁桥的地震反应规律。通过项目研究，明确斜交梁桥的震害机理和地震反应规律，从而提出改进的抗震设计概念与抗震构造措施，完善斜交梁桥的抗震设计。