[01578175]公路桥梁抗震与减震控制关键技术及应用

课题组自2000年初起开展桥梁抗震研究,至2019年12月先后获得10项国家自然科学基金项目资助（含6项面上,3项青年和1项地区）、还获得教育部优秀人才、地震科学联合基金和交通部、科技部等的纵向项目资助。以完善桥梁延性抗震和发展性能抗震、韧性抗震为目标,从地震动输入、抗震设计方法和耗能减震技术等进行了系统化的研究,目标在于：桥梁抗震规范进步和桥梁抵御地震灾害的系统创新技术。 1)揭示陆地、海底和近断层强地震动特性,发展地震动弹塑性反应谱模型和推动抗震时程分析选波技术。 利用弹性和弹塑性反应谱模型,对2008汶川地震动进行了详细研究,提出了汶川近断层地震波（含速度脉冲）在0.2s-0.8s周期内反应偏小,与Kagawa等（2004）提出大震伴随地表破裂将使周期1s左右地震动成份缺失的地震学研究一致;提出考虑远场“盆地效应”的框架性方案。结合强震记录和数值模拟系统研究了海底地震动特性和地形、水深等影响因素,提出海床表面饱和软土层（淤泥）是影响海底竖向与水平加速度反应比谱主要因素,提出海底水平与竖向反应比谱简化设计方程;通过希尔伯特-黄变换（HHT）实现近断层地震动脉冲波形的量化判别和脉冲周期识别,提出脉冲周期与震级和断层类型的关系方程,提出多脉冲周期和多脉冲幅值之间具强线性相关关系;基于希尔伯特-黄谱分析（HSA）给出强震记录基线校正新方法。提出双向地震动弹塑性反应谱模型,提出附加保险丝主结构单自由度系统的弹塑性反应谱方程,从而将传统弹塑性谱模型拓展至双向地震动情况和适用于耗能减震结构;在满足“谱一致”要求下提出基于最小二乘法的加权调幅时程分析输入地震波选择方法,加权系数取归一化振型参与系数,物理含义明确;进一步提出地震反应谱是高维向量的学术新观点,结合最小二乘法和高维向量,揭示了算术和对数坐标下目标谱选波物理含义和算术坐标下考虑加权系数的必要性。提出Ay-Dy格式的地震需求谱模型,供性能抗震设计使用;提出半经验化的墩梁相对位移谱,以明确在近断层地震动和极软弱场地条件下盖梁最小支承宽度的取值,切实防止落梁破坏。 2)剖析历史地震桥梁震害机理,完善桥梁地震损伤模型和拓展桥梁延性与性能抗震设计。 对2008年汶川地震破坏的庙子坪大桥和回澜立交桥等进行详细震害机理研究,明晰了高墩大跨连续刚构桥完整地震破坏模式。对1976年唐山地震落梁破坏进行了深入剖析,提出脉冲型近断层地震动是多跨长简支梁桥落梁的重要外因的震害解释新观点。基于变轴力拟静力试验发现了薄壁高墩潜在的地震临界倒塌风险性,为揭示此类高墩地震最终破坏行为的数值研究提供了试验基础。提出规格化最大位移和规格化滞回耗能分段线性组合的改进Park-Ang模型,涉及的能量项加权因子、临界位移延性系数和能量等效系数等概念为申请者独立提出;进一步基于等效塑性铰模型将临界位移延性系数与截面曲率延性系数相联系,使Park模型能够开始考虑微观的破坏机理。上述过程,先后完成了49根桥墩拟静力试验和8根桥墩振动台试验,对桥墩延性及性能抗震涉及的塑性铰模型、最小配箍率、抗剪强度、塑性铰区长度和损伤评价模型等关键问题都进行了自主性研究,提出了完整的钢筋混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法。这些也一定程度上弥补了我国现行“桥梁抗震设计规范”（含08细则）或理论或试验依据不足的问题,也为国内桥梁抗震理论本土化发展提供了支撑。 结合桥墩韧性抗震,发展了双层摇摆自复位桥墩（双层排架墩）体系,指出下层采用延性抗震理念,而上层采用摇壁自复位设计将是合适的工程选择。 3)研发多维及自复位减隔震装置,构建桥梁耗能减震创新体系和发展地震损伤精细建模技术。 结合桥梁韧性抗震,研发了系列具有多维和自复位特性的形状记忆合金、摩擦摆类多功能减隔震支座,提出了支座动力行为的精细数值模拟方法。先后提出了含屈曲约束支撑（BRB）和减隔震支座的桥梁空间减震体系、塔梁间设置屈曲约束支撑（可并联Lock-up装置）的斜拉桥等耗能减震创新结构体系。利用BRB提升梁式桥、拱桥和斜拉桥抗震性能均被发明专利授权。发展了含BRB双柱墩基于位移的抗震设计方法,给出与剪跨比和墩柱间距与直径（边长）比相关的BRB核心段最大和最小长度范围;从求解“地震需求”角度,分析该体系非线性地震反应一般规律。上述工作全部为无量纲参数具广泛工程适用性。针对临近断层（PGA为0.4g）桥梁抗震问题,提出 “铅芯橡胶支座+拉索限位器“组合,与桥墩延性抗震相配合的逐级设防系统减震方案及概念设计,建构了性能目标、位移设计和细部（构造）定量的全套性能化方法及示范工程实现。将保证率引入到结构多尺度动力分析当中,有效解决有限元子模型尺寸确定问题,实现了减隔震桥梁地震损伤行为（如碰撞等）的精细化模拟。 课题组先后发表期刊论文 142 篇,SCI/EI检索 86 篇;其中4篇中文论文入选F5000,单篇中文论文最高被引用 240 次（中国知网）。申请发明专利16项。软件著作权3项。培养博士研究生7人。