基于振动台试验的斜交梁桥震害机理与抗震设计研究

From the 1971 San Fernando earthquake, 2008 Wen Chuan earthquake to the 2010 Chile earthquake, damages such as falling down or excessive transverse displacement of girders, and/or severe damage of columns can always be found in skew girder bridges. As a result of the seismic damage problem of skew girder bridges is much more serious than the straight bridges, many research works have been done on the damage mechanism, earthquake response and seismic design of skew girder bridges since 1971. However, the mechanism of earthquake damage of skew girder bridges is still in dispute, and the rule of seismic response of skew girder bridges is still unknown, and so far we still lack of effective seismic design concept and seismic measures for skew girder bridges. In this project, whole bridge test models of typical single-span and multi-span continuous skew girder bridges will be made, and a series of shaking table test for the models, with consideration of the oblique angle, span, bridge width, supporting stiffness, column stiffness, and input direction of earthquake motion, will be carried out to study the mechanism of earthquake damage. Shaking table test, numerical analysis and theoratical analysis methods will be employed to study the rules of earthquake responses of skew girder bridges, considering the variation of main design parameters and various input direction of earthquake motions. The purpose of this project is to clarify the mechanism of earthquake damage and the rule of seismic responses of skew girder bridges. Based on the results, improved seismic design concepts and seismic measures will be proposed to improve the seismic design for skew girder bridges.

从1971年圣费尔南多地震、2008年汶川地震到2010年智利地震，均有斜交梁桥出现落梁、过大横向位移或墩柱严重破坏等震害。由于斜交梁桥震害问题较直桥严重得多，研究者自1971年圣费尔南多地震后就开始对其震害机理、地震反应、抗震设计等问题开展研究；然而迄今为止，对斜交梁桥震害机理的认识仍存在争议，对其地震反应规律的认识也明显不足，且缺乏行之有效的抗震设计概念和构造措施。本项目以典型单跨简支及多跨连续斜交梁桥为对象，制作全桥试验模型，通过开展考虑斜交角、跨度、桥宽、支承刚度、桥墩刚度、地震动输入方向等参数影响的系列模拟地震振动台试验，深入研究斜交梁桥的震害机理；结合振动台模型试验、数值模拟分析和理论分析，研究考虑主要设计参数及不同地震动输入方向影响的斜交梁桥的地震反应规律。通过项目研究，明确斜交梁桥的震害机理和地震反应规律，从而提出改进的抗震设计概念与抗震构造措施，完善斜交梁桥的抗震设计。

迄今为止，对斜交梁桥震害机理的认识仍存在争议，对其地震反应规律的认识也明显不足，且缺乏行之有效的抗震设计方法。本项目以l两跨连续斜交梁桥为对象，制作j九个全桥试验模型，通过开展考虑斜交角、轴压比、长细比、及配箍率等参数影响的系列模拟地震振动台试验，研究斜交梁桥震害产生的原因；结合振动台模型试验、数值模拟分析和理论分析，探讨斜交梁桥的地震反应规律，提出基于主梁侧移率的斜交梁桥概率需求计算模型。. 经研究发现，在不考虑碰撞的前提下，斜度增加了桥梁结构纵横向地震反应的耦联性，这种耦联性的提高，使得上部结构的旋转效应更为明显，是上部结构出现碰撞或落梁震害的根源所在；综合考虑长细比、轴压比和斜交角三个因素，正交分析的极差分析结果显示，当斜度在一定范围内时，桥墩长细比对斜交桥动力性能的影响最为显著；与直线梁桥相比，斜交角与长细比是结构震害产生的主要影响因素。. 在数值模拟方面，采用材料实际强度建立的斜交梁桥梁格模型（多梁法）较适宜模拟结构的位移响应及梁体扭转效应。. 地震反应规律的分析结果显示，当任意交互作用的两个因素固定时，斜度越小、长细比越大、轴压比越小，桥墩墩顶的位移响应就越大；当地震动沿结构纵向输入时，由于板式橡胶支座的隔震作用，桥面板的位移小于桥墩墩顶位移。. 在基于概率和性能的抗震设计框架基础上，综合考虑不同场地条件下地震动强度与地震记录的完整性、斜交梁桥结构的特殊性以及其地震反应的主要特点，建立了三类场地条件下基于主梁结构纵横向侧移率的概率地震需求模型。该需求模型以斜交角、跨径及地面峰值加速度为主要参数，该模型的提出简化了斜交梁桥地震反应的需求的计算过程，为结构地震反应的快速评估奠定基础。