采用沉井基础的大跨径桥梁的抗震设计关键问题研究

Long span bridges across great rivers and gulfs have been rapidly developed in China to meet the needs of economic growth and transport network construction. Pile foundations have been widely used in long span bridges at home and abroad. However, their seismic performances are not very good by many seismic analyses of long span bridges. Seismic performances of caisson foundations have been proved better than those of pile foundations. However, researches on their seismic performance are limited, especially lacking researches on dynamic interaction model and seismic failure mechanism. Combining theoretical analysis, numerical simulation and model experiment, several key issues of seismic designs for long span bridges with caisson foundations will be studied. Shear model of caisson - soil interface, theoretical and simplified caisson - soil dynamic interaction model, 3D finite difference model of structure - caisson - soil dynamic interaction will be established at first. On this basis, failure mechanisms and ultimate bearing capacities of caisson foundations, influencing rules of caisson foundations on seismic performances of long span bridges, and seismic fragilities of long span bridges with caisson foundations will be studied. At last, the seismic design method of long span bridges with caisson foundations will be proposed. The results of these studies will have important theoretical and practical significance to the seismic security of long span bridges with caisson foundations.

为了满足我国经济发展和交通网络建设的需要，跨越大江、大河及海湾的大跨径桥梁在我国得到了迅速发展。我国前期的一些大跨径桥梁基础多采用大型群桩基础形式。不过许多大跨径桥梁的抗震分析结果表明大型群桩基础的受力情况较为不利，是桥梁的地震易损部位。沉井基础的抗震性能更好，但对其抗震性能所进行的研究非常有限，尤其是在动力相互作用模型、地震破坏机理、极限承载力等方面的研究尚存在空白。本项目拟通过理论分析、数值模拟与模型试验等研究手段，首先建立沉井-土接触面剪切模型、沉井与土动力相互作用理论和简化分析模型、全桥的三维有限元模型。在此基础上研究沉井基础的地震破坏机理和极限承载力，采用沉井基础的大跨径桥梁的抗震性能和地震易损性。最终建立采用沉井基础的大跨径桥梁的抗震设计方法。这些研究成果，对于掌握采用沉井基础大跨径桥梁的抗震性能，保障其抗震安全具有重要的理论与实际意义。

项目的背景：.建造大跨径桥梁投资巨大，而且具有重要的政治、经济意义，一旦地震中发生破坏，所导致的损失将会非常巨大。我国前期的一些大跨径桥梁基础多采用大型群桩基础形式。不过在地震作用下，大型群桩基础的受力情况较为不利，桩身内力比较大，是桥梁的地震易损部位。.为了克服大型群桩基础的种种不足，一些国内外重大桥梁工程采用了沉井基础。其优点是整体性好、刚度大，有较大的横向抗力，抗震性能可靠，因此在软土地基的深基础形式中占有非常重要的地位。不过国内外对沉井基础抗震问题的研究非常有限，还存在很多空白。..主要研究内容、重要结果和关键数据：.1）通过解决边界设置、接触面模拟等重要问题，研究并得到了土-沉井-结构动力相互作用的三维数值模型模拟方法，进而提出了在地震作用下考虑沉井与土动力相互作用的分析方法——简化BWGG法。.2）以泰州长江公路大桥的沉井基础为原型，建立土-沉井-结构有限元模型，分析了上部结构质量、沉井基础埋深、土体弹性模量、接触面摩擦系数以及地震动峰值等不同参数对土-沉井-结构有限元模型的动力特性和动力响应的影响，总结了采用沉井基础的大跨径桥梁的抗震性能。.3）研究了沉井基础在水平荷载、竖向荷载作用下的破坏机理，得到了沉井基础水平向、竖向极限状态下的破坏模式，并提出了极限承载力的计算公式，得到了采用沉井基础的大跨径桥梁的基础抗震稳定性。.4）进行了土-沉井-结构动力相互作用的振动台试验，研究了不同边界对于自由场地表目标波的重现能力；并对各种边界中土内加速度分布的均匀性及各边界的边界效应问题进行了研究；同时研究了沉井基础和上部结构的存在对自由场地加速度响应分布的影响；最后研究了不同边界下，塔顶加速度响应幅值随地震动峰值和塔顶配重的变化规律。.5）提出了采用沉井基础的大跨径桥梁的抗震设计方法。..科学意义：.此项研究对于研究采用沉井基础的大跨径桥梁的抗震性能，确保其抗震安全具有重要的理论与实际意义。