斜入射地震波作用下大跨结构破坏机理研究

行波效应、局部场地和土-结相互作用是引起结构有效输入地震动空间差异的主要原因，而地震波非垂直入射是行波效应的主要物理机制。为了揭示大跨结构震害机理以及满足性态设计对结构地震响应预测的要求，需要考虑地震波非垂直入射情形下非线性土-基础-结构之间的动力耦合效应。现有分析方法的低效性难以胜任这一大型复杂三维系统的地震响应分析，使得现有研究工作集中在对结构或土体的简化建模分析上，其分析结果满足不了抗震设计的需要。因此，需要寻求一种高效分析方法。本项目拟发展一种解耦高效的数值分析方法，通过理论分析和数值模拟，结合实际震害资料研究强震作用下大跨结构的震害机理。主要内容包括：（1）地震波斜入射时，半无限土层非线性地震反应和散射问题的时域分析；（2）发展一种三维土-基础-结构动力相互作用高效分析方法；（3）对有实际震害资料的大跨结构建模分析，揭示其震害机理。该研究将为大跨结构的抗震设计提供理论依据。

行波效应、局部场地和土-结相互作用是引起结构有效输入地震动空间差异的主要原因，而地震波非垂直入射是行波效应的主要物理机制。为了揭示大跨结构震害机理以及满足性态设计对结构地震响应预测的要求，需要考虑地震波非垂直入射情形下土-基础-结构之间的动力耦合效应。现有分析方法的低效性难以胜任这一大型复杂三维系统的地震响应分析，使得现有研究工作集中在对结构或土体的简化建模分析上，其分析结果满足不了抗震设计的需要。因此，需要寻求一种高效分析方法。本项目发展了一种解耦高效的数值分析方法，通过理论分析和数值模拟，结合实际震害资料研究强震作用下大跨结构的震害机理。主要工作如下：（1）发展了一种半无限土体三维地震散射问题的时域分析方法，并通过解析解进行了验证。与以往数值方法仅能考虑面内角度不同，该方法可以考虑空间入射角。（2）发展了一种三维土-基础-结构动力相互作用高效分析方法。通过理论分析，确定了影响土结相互作用的六个无量纲参数，分别为无量纲频率、结构与土体的相对刚度比、结构与基础的质量比、土体与结构的质量比、基础宽度与结构高度比、基础埋深与基础宽度比。并通过大量模型的数值计算，对这些参数的影响规律进行了研究。（3）对一单跨桥梁模型进行了土-结相互作用分析，分别对SH波、P波和SV波不同空间入射角情形时的反应特征进行了分析。结果表明非垂直入射时引起的行波效应对桥的响应影响较大，桥梁响应与地震波的入射方向和频率有关，考察行波效应对桥梁响应的影响时，需要考虑不同的入射角。（4）采用本研究的方法，分别对一框架结构和网架结构进行了土结相互作用分析，并对汶川地震中高原大桥的震害进行了分析。（5）将土-结相互作用分析方法推广到结构-土-结构相互作用分析，通过大量模型的计算分析，讨论了入射波类型（SH波、P波、SV波）、入射角度、结构排列方式、基础间距、结构相对大小对结构-土-结构相互作用的影响。结果表明，结构-土-结构相互作用包含对后面结构的遮挡效应和对前面结构的干涉效应。大结构受相邻小结构的影响较小，而小结构受相邻大结构的影响较大。在地震输入结束后，结构一方面做自由振动，另一方面，受相邻结构的影响，以相邻结构的自振频率做受迫运动。该研究将为大跨结构的抗震设计提供理论依据。