深水高桩承台基础斜拉桥地震损伤机理与风险研究

The main foundation type used in most cable-stayed bridge in China is the elevated RC pile-cap foundation. The seismic safety of these foundations is highly influenced by the water-soil-structure interaction. However, the seismic performance and safety assessment of elevated RC pile-cap foundations are rare in both domestic and overseas researches as yet. Thus, this project selects a typical cable-stayed bridge with elevated RC pile-cap foundations as case study, and investigates the effect of water-soil-structure interaction on its seismic damage mechanism and system risk. The main studies are conducted as following: 1) based on the precise numerical method, built 3D solid finite element models to consider the interaction between water, soil and structures; 2) investigate the seismic damage mechanism and propose the damage index and values using IDA method to include the uncertainty of modeling parameters with high sensitivity; 3) analyze the seismic demand models and system risk of deep-water cable-stayed bridge using conditional mean spectrum at the specific bridge site, and assess the effect of different design parameters of foundations on the seismic performance and risk of bridges. The research findings of this project can provide suggestions and references to evaluate the seismic damage of river-crossing or sea-crossing cable-stayed bridge and improve their seismic safety.

高桩承台基础是我国目前多数建成的深水斜拉桥所采用的最主要的基础形式，其地震安全性深受水-土-结构相互作用的影响。然而目前国内外均缺乏深水高桩承台基础斜拉桥抗震性能和地震安全性评估的研究。鉴于此，本项目针对典型深水高桩承台群桩基础斜拉桥，研究其在考虑水-土-结构相互作用下的地震损伤机理及体系地震风险，主要研究内容如下：1) 基于精细数值方法，建立可以考虑结构、水与土体相互作用的三维实体有限元模型；2) 考虑高敏感性模型参数的不确定性，基于IDA方法研究高桩承台群桩基础在地震作用下的地震损伤机理以及相应的损伤指标限值；3) 结合桥址场地的条件均值谱，分析大跨度深水斜拉桥的地震需求分布规律以及相应的体系地震风险，并从桥梁体系地震风险的角度，评价不同基础设计形式对于深水桥梁抗震性能与地震风险的影响。本项目的研究成果可以为今后准确评估相关的跨江海斜拉桥地震损伤以及提高其地震安全性提供理论依据与参考。

高桩承台群桩基础作为我国深水大跨度桥梁结构所采用的最主要的基础形式，其抗震性能是近年来桥梁抗震领域的研究热点。本项目着重着力于高桩承台群桩基础在水-土-结构相互作用影响下的抗震性能与地震安全性评估的关键问题，对典型深水高桩承台群桩基础的地震损伤机理及体系地震风险进行了深入的研究，主要完成的研究工作和成果如下：（1）建立了可以考虑结构、水与土体相互作用的高桩承台基础的三维实体精细化有限元模型，并基于梁柱纤维单元与动水附加质量理论，建立了其三维简化分析模型；（2）基于IDA方法研究了高桩承台基础在地震作用下的损伤规律与破坏模式，研究确定了基础承台位移或转角作为高桩承台基础的损伤指标；（3）根据桥址场地的条件均值谱，分析了大跨度深水斜拉桥的地震需求，结合耐震时程法发展了深水桥梁结构的地震易损性分析方法，并以地震韧性为指标，建立了深水桥梁结构全寿命期的地震风险分析方法；（4）基于冲刷与液化分析，阐明了高桩承台基础动水效应的演化规律与作用机理。研究成果为我国相关的深水桥梁结构抗震设防设计提供了理论基础，对今后准确评估相关的跨江海桥梁的地震安全性具有指导意义。