强震作用下斜交桥的非线性力学行为研究项目摘要

斜交桥梁结构在强震作用下的地震反应具有特殊性和复杂性，主要表现为上部桥跨结构的大位移，下部墩柱结构在复杂受力状态下的承载力破坏以及桥台和桥跨、不同桥跨间的碰撞破坏。为深入理解其破坏机制，提高斜交桥的抗震能力，本课题将综合运用数值分析和结构试验等技术手段，对斜交桥在强震作用下的非线性力学行为进行深入研究。重点考察斜交桥多模态耦合动力作用对其破坏模式的影响，分析其结构特有的空间耦联性特征，研究斜交桥主要结构参量对其非线性地震反应影响的定量化规律，研究桥梁墩柱结构在包含扭矩作用的复杂受力状态下的破坏机制，并对斜交桥在强震作用下的碰撞响应进行分析。通过本课题的研究，揭示其地震反应的破坏规律，为提高我国斜交桥梁结构的抗震能力提供科学支撑和理论依据，本课题的研究具有重要的社会价值和科学意义。

本课题对强震作用下斜交桥的非线性力学行为展开深入研究,具体研究了斜交桥结构特有的空间耦联性特征，分析了斜交桥主要结构参量如斜度、偏心率、碰撞刚度、桥台与上部梁体间隙量对其非线性地震反应影响的定量化规律，讨论桥梁墩柱结构在地震作用下的强度需求，并对斜交桥在强震作用下桥台与桥垮间的碰撞响应进行分析。通过研究斜交连发现：斜交桥桥上部结构与桥台之间如果发生碰撞，可能导致强烈的地震反应，使桥梁出现较为明显的扭转变形而发生破坏，通过对比分析不考虑碰撞效应和考虑碰撞效应两种方案下的斜交桥地震响应发现，碰撞作用会使斜交桥上部结构产生扭转位移，且随着斜度的增大而增大；考虑碰撞作用的斜交桥桥墩在地震作用下的最大扭矩明显大于无碰撞作用的桥墩最大扭矩，表明在抗震设计过程中不考虑这种碰撞作用，会低估桥墩的地震扭矩效应，增大下部墩柱结构的设计风险。 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

在隧道等地下工程爆破施工中，超欠挖现象严重影响隧道施工期安全。如何获得爆生气体作用下岩石裂纹的扩展方向和长度，及其与既有裂隙的贯通形式与交互作用，是提高隧道光面爆破技术水平的核心问题。本项目以爆炸力学及线弹性断裂力学为理论基础，采取实验研究、理论分析与现场实际验证相结合的手段，重点研究爆生气体作用下岩石裂纹的力学行为及其扩展模型。首先，基于爆炸力学理论，获得爆生气体膨胀压力随时间变化规律；在此基础上采用线弹性断裂力学方法，建立爆生气体作用下岩石裂纹的扩展及止裂准则，计算裂纹的最终长度；通过爆生气体作用下岩石裂纹形态特征实验，研究爆生裂纹的长度、方向等形态特征及其与既有裂隙的交互作用；建立基于解析计算与室内实验的爆生气体作用下岩石裂纹扩展模型。本项目的研究，可为丰富和发展岩石爆破理论，提高隧道光面爆破技术水平，提供理论依据与技术支持，对解决隧道等地下工程爆破中的超欠挖问题有重要的价值。

随着地球地震活跃期的来临，在我国西部大开发建设的背景下，为了保证强震作用下隧道特别是抗震最薄弱部分的明洞段安全，亟需相应的减震机理与灾害控制对策研究。采用资料调研、数值模拟和模型试验等方法，本课题深入研究了隧道洞口段的地震响应机理及减震对策。 （1）通过文献资料的广泛搜集，明确隧道洞口段的破坏形式可分为：①边坡失稳破坏导致的崩塌、滑落造成其变形和压损；②隧道门墙壁的破损、倾斜、开裂等问题；③隧道过断层段的错动。 （2）结合模型试验和数值分析的方法，研究仰坡角度、衬砌刚度，减震缝间隔对隧道结构地震响应的影响，得出结论有：①过大的衬砌刚度对衬砌的受力不利，在保证静力荷载和变形的条件下，适当减小衬砌的刚度可以吸收地震荷载的能量，对隧道抗震更有利。②无配筋衬砌相比有配筋衬砌的峰值弯矩大，明洞以及洞口附近衬砌应予以配筋。③仰坡坡度越大，洞口段上覆土层越厚，其惯性力和主动压力越大，衬砌附加弯矩峰值越大。在洞口处可以通过接长明洞来减小仰坡坡度，从而减小衬砌的受力，同时还可以预防地震引起的滑坡、落石等次生灾害。④洞口附近设置减震缝可以改善衬砌的受力，降低受力集中，使衬砌受力更均匀。 （3）借助模型试验和数值方法研究上部滑移隔震、下部滑移隔震、下部碎石减震、全包减震、隔震层 下部碎石减震五种措施的减震效果，得出设置隔震层和下部碎石对衬砌的减震作用明显，下部碎石减震作用更为有效。洞门附近可以对基底进行处理，这不仅可以增加基底承载力并且可以起到一定的隔震作用。 本课题研究成果有助于提高隧道结构抗的抗减震，可为相关工程设计与施工提供指导，亦可为今后规范和标准的制定提供理论和技术支持。 2100433B