近断层地震作用下高架桥地震反应及其减隔震控制研究项目摘要

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。

采用MIDAS及ANSYS等大型有限元软件，基于塑性铰理论使用纤维梁单元模拟桥墩的非线性滞回曲线模型，分别采用板式橡胶支座、盆式橡胶支座以及新型MREs智能支座，比较了不同地震动激励输入方式下的结构反应及破坏形式。并着重对比分析了近断层地震激励输入下高架连续梁桥的振动响应特点，发现与非近断层地震动输入相比，纵向振型频率与近断层地震的卓越频率接近的高架连续梁桥，其在近断层地震输入下结构响应明显增大，尤其在纵向输入下固定墩内力更大，结构更易发生梁端碰撞和落梁等破坏现象。因此对于桥墩较高或一联跨数较多的连续梁桥，其在近断层地震激励下的结构响应分析及抗震设计需引起重视。基于实际工程的一座四跨高架连续梁桥，进行大比例尺模型设计及振动台台阵试验，由此观察近断层地震动激励下高架连续梁桥的地震动响应规律，具有一定的试验参考意义。为降低近断层地震作用下高架连续梁桥的地震反应，分别采用了盆式橡胶支座和板式橡胶支座，并选取了两种地震波作为输入激励，对比分析了两种支座情况下的结构地震响应结果，固定墩根部的内力值均有所减小，弯矩值最大下降29.5%，剪力值最大下降了18.2%，可见桥墩的受力更为合理和平均，从而提高了连续梁桥的抗震能力。最后提出一种基于碳纳米管加强的新型MREs智能支座装置，兼具传统支座和lock-up装置的功能，又具有较高的耗能能力，在同一地震激励输入下，梁端位移降低了50%，固定墩和滑动墩的剪力及弯矩分配更为均衡，从而提高了安全系数和抗震能力。当然同lock-up装置类似，该智能支座的使用也应满足一定的条件，即结构体系改变后，连续梁桥的自振频率仍在地震波反应谱的长周期段，而不是进入到地震波反应谱的直线段。 2100433B

为给我国大量修建在高烈度区靠近断层的大跨度桥梁设计提供抗震建议及对策，本项目针对近断层地震的脉冲特点，重点研究在此类地震作用下中等跨度斜拉桥的动力响应和抗震策略。在项目资助期间，主要进行了以下5个方面的研究工作：1）近断层脉冲地震特性及其引起的斜拉桥动力响应研究，2）阻尼器在近断层脉冲地震作用下的使用效果和适用性，3）近断层脉冲引起的桥塔的破坏模式和非线性性能研究，4）桥塔的振动台试验研究和5）斜拉桥在近断层脉冲作用下的抗震策略研究；通过上述研究工作，取得到了下述研究成果：1）近断层脉冲效应会对斜拉桥的桥塔会产生2~3倍于普通地震（加速度峰值相同）的内力响应与塔梁间的相对位移，而且当脉冲周期0.5T0 2100433B

近断层地震由于其显著的脉冲特性，导致土木工程结构产生灾难性破坏，引起了国际上研究者的极大关注和重视，而我国对此的研究起步相对较晚，对修建在高烈度区活性断层附近或横跨地震断层的桥梁的抗震性能，由于缺乏必要的理论研究和资料储备，目前已成为桥梁工程实践中一个亟需解决的技术难题。本项目拟针对斜拉桥结构，提出斜拉桥在近断层脉冲作用下的动力响应及其对策研究的课题，旨在通过对近断层地震动的认识，研究其作用下斜拉桥的动力响应特点和可能的破坏模式，深入了解斜拉桥的近断层抗震性能，探索有效的抗震措施，为我国修建在高烈度区靠近断层的大跨度桥梁设计提供抗震建议及对策。研究的主要内容包括：1）近断层脉冲地震特性及其引起的斜拉桥动力响应研究，2）考虑动力失稳的斜拉桥抗震计算理论和方法研究，3）近断层脉冲引起的桥塔的破坏模式研究，4）桥塔的振动台试验研究和5）斜拉桥在近断层脉冲作用下的抗震措施研究。

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。