高墩结构抗震性能的理论分析与振动台－作动器混合试验研究

近年来西部地区的高速公路和铁路等基础设施建设得到迅速发展，涌现出很多墩高超过40m的高墩桥梁，而墩高超过90m的超高墩桥梁亦不鲜见。西部是我国地震多发区，这些高墩、超高墩桥梁在强震作用下的安全性成为一个迫切需要解决的问题。高墩的构造与常规的中、低墩存在明显不同，高阶振型和墩身质量分布对结构地震响应的贡献亦不能忽略；因此高墩在地震作用下的动力响应和破坏机理与常规桥墩存在显著的差异，不能套用常规抗震设计方法和已有的研究成果。本课题首次提出将振动台－作动器混合试验方法引入高墩抗震性能研究领域，目的是在高墩结构地震非线性响应理论分析的基础上，利用完备的试验条件建立混合试验平台进行高墩模型混合试验，通过试验结果验证理论分析方法，研究强震下高墩的抗震性能和破坏机理，为建立正确的抗震设计方法、采取有效的抗震措施提供科学依据。

项目负责人提出的“高墩结构抗震性能的理论分析与振动台－作动器混合试验研究”这一课题，首次将“混合试验”这一新兴结构抗震试验方法引入高墩抗震性能研究领域，目的是建立可应用于大比例、足尺模型试验的混合试验平台，为广泛的结构抗震领域的实际工程和科学研究提供试验支持。.本项目研究主要进展和成果包括：.一、对混合试验加载机理和硬件架构原理进行了研究工作；利用SAP2000＋VBA程序开发了一个纯数值模拟平台，实现整个混合试验加载机理的数值模拟，并利用这一模拟平台对后续试验进行全过程模拟和积分算法研究。.二、在前期理论性研究的基础上，构建了高速作动器－地震模拟振动台－控制器－数据采集器的硬件控制回路以及作动器/振动台控制系统－数据采集及传输系统－数值模型计算程序的软件控制回路，开发了可用于大比例/足尺模型试验的振动台－作动器混合试验平台。为适应不同加载需求，并研究混合试验中各组成部分的协调合作能力与协同工作中可能出现的问题，本项目采用了分层次、由简入繁的方法逐级实现振动台－作动器混合试验。混合试验可以分为三个层次：a）混合试验层次一：基于局域网的有限元软件＋OpenFresco＋控制器；b)混合试验层次二：基于局域网和反射内存网的有限元软件＋交互系统＋控制器；和c)混合试验层次三：基于反射内存网的实时计算和交互系统＋控制器。.三、选择了一个下部结构为双柱墩的典型高墩梁式桥结构进行了理论分析，在理论分析的基础上，设计了一组典型高墩结构的试验模型进行了地震加载的混合试验。针对这一整体模型，分别设计并进行了a)试验一：单作动器混合试验、b)试验二：单振动台混合试验和c)试验三：作动器－振动台混合试验。试验三的作动器－振动台混合试验目前仍在调试中，尚未全部完成。但已完成的研究工作表明构建的混合试验系统平台是可行的，是能够应用到大比例模型地震加载的。项目负责人将继续按照原定计划开展后续研究工作，节余经费也将继续用于本项目研究，以期能在完成全部研究工作后将研究成果公布和发表并向国家自然科学基金委员会汇报。