三维隔震桥梁近断层强震反应机理及抗震设计方法

上世纪末至今，随着地震动监测台网的规模化、网络化建设，强烈地震发生时越来越多地捕捉到了地面及工程结构上的振动记录，对工程地震学和结构抗震的发展具有重要意义。从多次强烈地震中已观测到比较显著的竖向地震动，而目前国内外广泛发展、研究和工程应用的建筑及桥梁基础隔震技术，都是水平隔震技术，基本不具有竖向隔震的作用，有时甚至会对竖向抗震不利。如何减轻桥梁结构在近断层强三维地震作用下的结构震动已成为亟待解决的重要课题。本项目以桥梁结构三维隔震技术应用基础理论和方法为研究目标，通过理论分析、数值模拟和模型试验等方法开展三维隔震桥梁近断层地震反应分析和抗震设计方法研究。重点开展了以下工作：①分析了桥梁结构三维隔震基本原理及其适用条件；②建立以提出三维隔震支座的力学模型和三维隔震桥梁数值仿真分析模型，数值分析三维隔震桥梁的水平和竖向隔震效果；③通过振动台试验验证三维隔震桥梁的水平和竖向隔震效果；④给出三维隔震桥梁的简化抗震设计方法实例。通过本项目研究，已完成预期目标，获得主要研究结果如下：根据水平隔震和竖向隔震的基本原理，确定了三维隔震桥梁结构体系的适用条件；建立了已提出的三维隔震装置的力学性能及计算方法，并通过拟静力试验验证了所提出三维隔震支座的力学性能；研究了低屈服点软钢菱形钢板阻尼器的力学性能，结果表明，设置水平放置菱形软钢阻尼器的三维隔震支座的竖向耗能能力明显增强，同时对竖向隔震性能改变并不大；通过地震模拟振动台试验验证了所提出三维隔震支座在连续桥梁中应用的水平和竖向隔震效果，振动台试验研究结果表明三维隔震桥梁的水平加速度及墩底弯矩隔震效果达到50%-80%左右，跨中竖向振动加速度和跨中弯矩隔震效果达到30%左右；建立了三维隔震桥梁简化设计方法。在本项目的支持下，发表相关学术论文10篇，其中SCI检索论文3篇，EI检索论文8篇；申请国家发明专利2项；协助培养博士生1人，培养硕士生1人；参加国内外学术交流4次；获得北京市公路科学科学技术奖三等奖1项。 2100433B

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。

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。

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

近几十年来的几次大地震中，近断层地震记录的增多使此类地震动的特性也越来越被科研者所认识；目前高架桥抗震设计主要是基于现行规范中的远场地震动输入，而在几次近断层地震中却遭到严重破坏，甚至有些高架桥进行了隔震设计也在近断层地震中发生了严重的损伤；交通事业的飞速发展使得高架桥不可避免的会处于断层附近，所以研究近断层地震下的高架桥地震反应规律并对其进行减隔震控制进行研究值得深入。本项目将立足国内外研究成果，选取典型高架桥进行大比例缩尺模型的模拟地震振动台台阵试验和桥梁原型结构的理论分析与数值模拟，对空间近断层地震动作用下高架桥的动力反应特点、破坏形式和破坏机理进行深入的理论分析和实验研究，在此基础上开发新型适合提高高架桥在近断层地震中的抗震性能的减隔震装置。本项目研究成果将为近断层地震作用下提高高架桥的抗震性能并采取有效的抗震对策奠定一定的基础，并为有关桥梁抗震设计规范的修订和完善提供科学的依据。