基于概率方法的高墩桥梁近场地震动响应及推倒分析研究

In recent years, numerous tall pier bridges have been constructed in Western China of high seismicity, where devastating earthquakes with near-fault motions might occur. This project intents to investigate the seismic performance and damage mechanism of these tall pier bridges, as well as the change of lateral inertia force distribution with the development of structural damage, when subjected to near-fault pulse-like ground motions. Finite element models will first be developed, and numerical analysis will be conducted to explore the seismic performance of tall piers by both deterministic and probabilistic methods. Considering the randomness of input motions, structural material and damage states, lateral inertia force distribution pattern with a certain confidence level will be constructed, as well as a pushover analysis method. The pseudo-dynamic experiments will be used to evaluate the inertia force distribution pattern and damage mechanism obtained from numerical analyses. Based on these results, the damage progress of tall pier bridges under near-fault pulse-like motions will be clarified. The lateral inertia force distribution patterns will be developed with consideration of velocity pulse parameters, higher-order modes, and structural damage states. Finally, nonlinear pushover analysis procedure for tall pier bridges under near-fault pulse-like ground motions will be proposed.

随着我国西部近断层强震区基础设施建设增多，大量跨越山河峡谷的高墩桥梁可能在服役期内面临危害极大的近场地震威胁。本项目拟采用基于概率的方法，重点研究近场脉冲型地震动下高墩桥梁的结构响应特点、损伤破坏机理、水平惯性力分布模式随损伤状态的演化规律等科学问题。为此首先建立可靠的有限元分析模型，通过概率性和确定性相结合的方法研究高墩在近场脉冲型地震动下的响应特点和损伤机理；基于地震输入、结构材料及损伤状态等因素的随机性，提出对应一定置信概率的高墩水平地震惯性力分布模式，建立相应的推倒分析方法；利用拟动力试验对提出的惯性力模式及高墩结构损伤破坏机理进行验证。明确高墩在近场脉冲型地震作用下的破坏模式与远场地震动时的区别；在考虑地震动速度脉冲参数、墩身高阶振型效应及结构损伤状态等因素的情况下，提出合理的高墩水平地震惯性力分布模式，并最终建立预计近场脉冲型地震动输入下高墩地震响应的非线性静力推倒分析方法。

随着我国西部近断层强震区基础设施建设增多，大量跨越山河峡谷的高墩桥梁可能在服役期内面临危害极大的近场地震威胁，而目前对于该类桥梁抗震性能和设计方法缺乏深入研究。为此，本项目综合运用确定性和概率性方法，将地震动等因素导致的随机性纳入研究范畴。基于经由振动台试验校核的OpenSees精细化有限元模型，进行了高墩桥梁和中低墩常规桥梁在近远场地震动下的响应对比，探索了近场脉冲型地震动特性对高墩桥梁响应的影响，提出了表征高阶振型贡献的量化标准，明确了高阶振型贡献随损伤状态的演化规律，并以相关结论为基础提出了适用于高墩桥梁的抗震设计方法。研究结果表明：（1）高墩桥梁在地震中完全倒塌的概率较低，但在强震下有可能发生一定程度的损伤，因此在设计过程中应当更注重该类桥梁在地震中发生有限损伤之后的使用性能，以确保震后救灾工作顺利开展；（2）由于体系较柔、自振周期较长，高墩桥梁在近场脉冲型地震动下的破坏概率往往较高，尤其当地震动中速度脉冲周期与结构周期接近时，会显著提高地震响应、增大破坏概率，因此在设计中应当予以重视；（3）在近场和远场地震动作用下，墩身高阶振型对响应的贡献可分别达到30%和60%，而现有针对常规桥墩的抗震设计规范假设一阶振型主导结构响应，因此无法用于指导高墩结构设计；（4）高墩墩身高阶振型对响应的贡献会随着输入地震动强度，亦即结构的损伤程度，呈先下降后上升的趋势。这是由于随着地震动强度上升，一阶振型首先发生屈服，因此对结构非线性变形响应的贡献急剧上升，使得高阶振型贡献相对下降；而当高阶振型同样发生屈服后，其对于变形响应的相对贡献也会随之上升。以上述结论为基础，提出了一种通过降低截面纵筋配筋率，将高墩非线性损伤集中于预定区域的抗震设计方法。分析结果表明，该方法以截面曲率延性系数需求提高约10%为代价，将潜在塑性区域范围降低了约50%，即在不显著提高结构损伤程度、保证结构抗震性能的前提下，有效降低了高墩结构的震后修复需求。