混凝土梁式桥新型减隔震装置性能及效果的理论分析及试验研究

Taking the widely used beam bridges as objects of study, this project which integrates theoretical analysis, numerical simulation and experimental research mainly focus on the following aspects: (1) Combining the structural characteristics of beam bridges, new multi-functional and well performed seismic isolation bearings will be developed to meet the requirements under both normal and seismic load. (2) Time variant characteristics and principles of seismic-reduced and isolated structures during life-cycle will be studied in depth, referring to the influential principles of key factors including material deterioration, material variation etc. (3) Mechanical model and failure mode which take spatial characteristics into account of seismic isolation bearings will be studied. The methodology of accurate analysis on non-linear seismic response in time domain for bridges will be theorized based on multi-scale theory, which takes complex influencing factors such as diversity size and multi-function of seismic isolation bearings, interaction of earth, pier and structure, multi-point excitation, traveling wave effect etc. into consideration. The methodology will be validated by seismic simulation experiment of beam bridge models on shaking table before forming specific software. (4) Theoretical model of new seismic isolation bearings will be established based on theoretical analysis, numerical simulation and experiment mentioned above. Seismic damage principle, failure mode and failure criterion of concrete beam bridge will be explored to improve the design theory of seismic-reduced and isolated beam bridges fundamentally.

本课题从理论分析、数值模拟和试验研究三方面开展工作，以量大面广的混凝土梁式桥为研究对象，主要开展以下研究：（1）结合混凝土梁式桥的结构和受力特点，研发面向此类桥梁的新型多功能、高性能减隔震支座，以同时满足正常使用荷载和地震作用下的不同需求。（2）进行桥梁减隔震装置全寿命期内的时变特性及其机理研究，深入分析关键因素包括材料退化、环境改变等的影响机理。（3）研究减隔震支座可考虑空间特性的力学模型和失效模式，基于多尺度理论建立桥梁结构可考虑不同规格多功能减隔震支座、多点激振和行波效应等复杂因素的地震响应非线性时程精细分析理论和方法，并采用梁式桥模型的地震模拟振动台试验对该方法进行验证，最终形成专用分析软件。（4）基于上述试验、数值计算和理论分析，建立新型减隔震支座的理论模型，探索隔减震混凝土梁式桥体系的地震损伤机理、失效破坏模式和失效判别准则，为梁式桥结构减隔震设计理论的发展提供基础性研究支撑。

本课题以量大面广的混凝土梁式桥为背景，研发了多种新型减隔震装置并对其性能进行了深入研究。采用多尺度模拟进行了隔震梁桥地震响应的精细化研究，并与振动台试验结果相互对比验证，所获得主要成果包括:.(1) 研发了多种新型减隔震装置，建立了相应力学模型。多种新型减隔震装置包括主研的新型多功能减隔震装置、软钢芯橡胶垫钢弹簧组合减隔震支座等，并对新型多功能减隔震装置进行了力学性能试验与显式数值模拟研究，再将两者结果进行对比验证，为后续隔震桥梁地震响应数值模拟打下了基础。此外，本课题对聚氨酯泡沫铝复合材料、粘弹性阻尼墙等力学性能也进行了探索并初步建立了力学模型。.(2)新型减隔震装置的性能识别与预测方法研究。为了更好地对受环境等因素影响后新型减隔震装置力学性能进行理论分析与预测，本项目采用模式识别算法与L-M算法对常用的超弹性与超黏弹性材料基于Ogden模型与广义Maxwell模型的本构参数识别方法进行了研究。此外，本项目基于概率统计理论，提出了一种支座性能概率预测方法，在无需进行支座逐一检测的基础上保证了产品性能的可靠性。.(3) 建立了一种基于多尺度的减隔震梁桥地震响应的非线性时程精细分析方法。首先验证了混凝土弹塑性损伤帽盖模型的准确性，再以一混凝土桥墩为例，对三种建模方式所得桥墩的动力特性以及拟静力推覆结果进行对比，验证了本项目基于显式有限元在构件尺度的多尺度建模方式的可行性。然后以一隔震梁桥为背景，对其进行缩尺模型振动台试验与相应的数值模拟研究，并将两者地震响应结果进行对比，验证了在全桥尺度的多尺度建模方式的准确性。最后，采用上述分析方法研究了三跨隔震连续梁桥考虑不同支座类型等因素对其地震响应全过程的影响。.(4) 其他相关结构形式减隔震控制研究。本项目将梁式桥减隔震的部分研究方法拓展到其他结构形式的减隔震研究中，主要包括大跨度钢桁架桥、大跨度钢管混凝土拱桥等，并获得了各隔震结构形式的减隔震规律，目前这一工作仍在进一步深入探究中。