低重心斜拉橋地震響應(yīng)特性研究

目前認(rèn)為漂浮體系斜拉橋自振周期長，在地震作用下，主塔的內(nèi)力響應(yīng)比相同條件下鉸接體系斜拉橋小，但縱向位移響應(yīng)要比鉸接體系斜拉橋大。要使地震作用下斜拉橋的內(nèi)力響應(yīng)小，就要付出較大位移為代價，反之亦然，這種認(rèn)識是不盡全面、不夠準(zhǔn)確的。 為此，本項目在研究重心高度對不同結(jié)構(gòu)體系斜拉橋地震響應(yīng)特性影響的基礎(chǔ)上，提出了低重心斜拉橋概念。從地震作用下斜拉橋慣性力傳遞路徑入手，提出飄浮體系、固定鉸接體系斜拉橋的雙質(zhì)點簡化計算分析模型，利用剛度法和Rayleigh能量法分別推導(dǎo)了兩種體系縱向一階頻率簡化計算公式。根據(jù)不同體系斜拉橋縱向一階振動頻率計算公式，建立了低重心斜拉橋判斷準(zhǔn)則。并結(jié)合已建10座斜拉橋?qū)嵗?，驗證了本文提出的斜拉橋縱向一階自振周期簡化計算公式和低重心斜拉橋的評價準(zhǔn)則具有良好的穩(wěn)定性，可用于斜拉橋的初步設(shè)計和方案比選，其誤差在可接受的范圍。利用摩擦自鎖原理研發(fā)以地震動加速度激活的大噸位安全帶連接裝置和鎖死銷裝置，建立了安全帶和鎖死銷的單元本構(gòu)模型。提出一種新型低重心斜拉橋抗震結(jié)構(gòu)體系——安全帶連接體系。以某斜拉橋為依托工程設(shè)計了4個1:25的斜拉橋振動臺實驗?zāi)Ｐ?，分別進(jìn)行了漂浮體系斜拉橋振動臺實驗、固定鉸接體系斜拉橋振動臺實驗、安全帶連接體系斜拉橋振動臺實驗和低重心斜拉橋縱向“人字形”塔振動臺實驗。通過模型實驗和數(shù)值模擬研究了低重心斜拉橋的破壞特征和破壞機(jī)理。探討了安全帶連接體系低重心斜拉橋地震響應(yīng)特性和減震機(jī)理，提出了斜拉橋安全帶連接體系設(shè)計注意事項。本項目的研究不僅具有較強(qiáng)的理論意義，且具有較好的實際應(yīng)用價值。該項目已經(jīng)發(fā)表SCI論文3篇，EI論文15篇，EI期刊錄用待發(fā)表論文2篇，EI/ISTP會議論文3篇，核心期刊論文8篇，獲批發(fā)明專利6項。 2100433B

目前研究認(rèn)為要使地震作用下斜拉橋的內(nèi)力響應(yīng)小，就要付出較大位移為代價，反之亦然，這種認(rèn)識是不盡全面、不夠準(zhǔn)確的。為此，研究重心高度對不同結(jié)構(gòu)體系斜拉橋地震響應(yīng)特性的影響，提出低重心斜拉橋概念。建立飄浮體系斜拉橋縱向一階振動頻率雙質(zhì)點反向擺式簡化模型和縱向固定鉸接結(jié)構(gòu)體系斜拉橋縱向一階振動頻率的雙質(zhì)點簡化計算模型，推導(dǎo)縱向一階振動頻率計算公式，進(jìn)而提出低重心斜拉橋判斷準(zhǔn)則，研究低重心斜拉橋地震響應(yīng)特性和破壞機(jī)理。利用摩擦自鎖原理研發(fā)以地震動加速度激活的大噸位安全帶連接裝置，建立其單元本構(gòu)模型。提出一種新型低重心斜拉橋抗震結(jié)構(gòu)體系- - 安全帶連接體系，在此基礎(chǔ)上，分析安全帶連接體系低重心斜拉橋地震響應(yīng)特性和減震機(jī)理；研究重心高度對不同結(jié)構(gòu)體系斜拉橋地震破壞機(jī)理及損傷模式影響，并進(jìn)行相應(yīng)的振動臺模型實驗。該項目的研究不僅具有較強(qiáng)的理論意義，且具有較好的實際應(yīng)用價值。

我國水利水電大型地下廠房多建在地震高發(fā)的西南地區(qū)，研究地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)地震動響應(yīng)特性，對地下廠房運(yùn)行的安全評估具有重要意義。本項目依托已建大型地下廠房設(shè)計資料，采用實驗?zāi)M、理論分析、數(shù)值分析相結(jié)合的研究方法，研究地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)的地震動響應(yīng)特性，圍繞柔性支護(hù)的作用機(jī)理、力學(xué)模型、地震動響應(yīng)、高效算法和安全評價等方面展開研究。經(jīng)歷四年的努力，取得的主要成果有：（1）基于柔性支護(hù)加固圍巖的作用機(jī)理，建立了錨桿的復(fù)合錨固單元模型，揭示了地震動荷載在圍巖與柔性支護(hù)的相互作用機(jī)理。建立了錨桿和圍巖協(xié)同變形的力學(xué)模型，建立了考慮錨桿沿程應(yīng)力、錨桿受剪切作用和巖錨吊車梁涂瀝青段的數(shù)值分析模型。（2）提出“開源節(jié)流”的高效計算優(yōu)化思路，構(gòu)建了基于計算機(jī)集群和CPU/GPU異構(gòu)的高效并行平臺。針對柔性支護(hù)與圍巖的相互作用特性，構(gòu)建地下洞室柔性支護(hù)抗震計算數(shù)值分析平臺。（3）研究了地震作用下錨桿應(yīng)力的響應(yīng)過程，及錨桿和圍巖的接觸界面、錨頭界面的損傷過程，揭示地震災(zāi)變中柔性支護(hù)和圍巖的損傷演化規(guī)律。（4）研究了不同的錨固參數(shù)組合下，柔性支護(hù)的地震動破壞機(jī)制、破壞過程及破壞形式，揭示了柔性支護(hù)加固圍巖的抗震機(jī)理，提出了柔性支護(hù)抗震設(shè)防的建議。在本項目資助下，在《Computers and Geotechnics》、《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》、《Shock and Vibration》、《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》、《巖土力學(xué)》等期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇，其中SCI收錄8篇，EI收錄14篇。培養(yǎng)博士研究生13人，碩士研究生15人。取得的相關(guān)研究成果完善了地下結(jié)構(gòu)抗震計算基本理論，同時為地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)的抗震設(shè)計提供理論支撐。 2100433B

地下廠房洞室一般采用柔性支護(hù)。目前柔性支護(hù)都是采用工程類比法按靜力狀態(tài)設(shè)計，其地震動響應(yīng)的影響缺乏理論指導(dǎo)和相應(yīng)研究。我國大部分大型地下廠房建在地震高發(fā)的西南地區(qū)，研究地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)地震動響應(yīng)特性，對地下廠房運(yùn)行的安全評估理論具有重要意義。本項目依托已建大型地下廠房設(shè)計資料，采用現(xiàn)場調(diào)查、實驗?zāi)M、理論分析、數(shù)值計算等手段，研究圍巖與柔性支護(hù)地震動響應(yīng)聯(lián)合作用機(jī)理，建立圍巖與柔性支護(hù)動力聯(lián)合作用模型；研究柔性支護(hù)巖體地震波折射、反射波疊加特性，分析柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖動響應(yīng)損傷演化規(guī)律；研究高效有限元并行計算方法，開發(fā)地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)地震動響應(yīng)高效計算平臺；研究地震動響應(yīng)的時效和耗散能累積突變理論，建立地下結(jié)構(gòu)柔性支護(hù)地震動響應(yīng)安全評價體系。通過研究，為大型地下廠房的抗震安全運(yùn)行和生命周期的評估提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。該項研究成果不僅具有重要的理論意義，對工程設(shè)計也具有重大的指導(dǎo)意義。

近斷層地震由于其顯著的脈沖特性，導(dǎo)致土木工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生災(zāi)難性破壞，引起了國際上研究者的極大關(guān)注和重視，而我國對此的研究起步相對較晚，對修建在高烈度區(qū)活性斷層附近或橫跨地震斷層的橋梁的抗震性能，由于缺乏必要的理論研究和資料儲備，目前已成為橋梁工程實踐中一個亟需解決的技術(shù)難題。本項目擬針對斜拉橋結(jié)構(gòu)，提出斜拉橋在近斷層脈沖作用下的動力響應(yīng)及其對策研究的課題，旨在通過對近斷層地震動的認(rèn)識，研究其作用下斜拉橋的動力響應(yīng)特點和可能的破壞模式，深入了解斜拉橋的近斷層抗震性能，探索有效的抗震措施，為我國修建在高烈度區(qū)靠近斷層的大跨度橋梁設(shè)計提供抗震建議及對策。研究的主要內(nèi)容包括：1）近斷層脈沖地震特性及其引起的斜拉橋動力響應(yīng)研究，2）考慮動力失穩(wěn)的斜拉橋抗震計算理論和方法研究，3）近斷層脈沖引起的橋塔的破壞模式研究，4）橋塔的振動臺試驗研究和5）斜拉橋在近斷層脈沖作用下的抗震措施研究。