高性能组合桥墩跨海大桥抗震性能分析及设计方法研究

With the fast social and economical development of China, there is a boost in the planning and construction of bay bridges. Since a number of the coastal areas in our country are located in seismic zones, the seismic safety of bay bridges is of great social and economical importance. Piers play a vital role in the seismic-resistance and safety of bridges. Based on previous study, the applicant proposes a new high-performance concrete filled steel tubular pier system for bay bridges. This type of high-performance bridge pier is expected to have excellent corrosion resistance and seismic resistance, and it fits with the theme of Green Construction in the 13th national five-year plan. ..The proposed research will focus on the seismic performance, failure mechanism and design method of the concrete filled steel tubular piers and bay bridges considering joint effects of earthquake and sea wave. A combination of theoretical formulation, finite element analyses, static tests, pseudo-static cyclic tests and underwater shaking table tests will be conducted, in order to propose formulas for calculating the stiffness and ultimate strength of the concrete filled steel tubular piers, a simplified model for this type of piers for engineering application, and simplified equations for calculating the wave loads and seismic hydrodynamic pressure acting on the piers. A seismic design methodology will be developed for the concrete filled steel tubular piers under the combined effects of earthquake and sea waves, and seismic design recommendations will be proposed for bay bridges adopting this type of composite piers.

随着我国社会经济的高速发展，跨海大桥的规划建设进入了一个新的高潮，而我国沿海多处于地震多发区，跨海大桥的抗震安全是我国经济和社会发展的迫切需求。桥墩在桥梁抗震中至关重要，在前期研究的基础上，申请人提出一种可用于跨海大桥的新型高性能钢筒混凝土组合桥墩结构。这种结构可望具有优越的抗蚀和抗震性能，并且符合绿色建筑的“十三五”国家战略。本项目以钢筒混凝土组合桥墩及跨海大桥在地震-波浪联合作用下的抗震性能、破坏机理和设计方法研究为主线，通过理论分析、有限元数值计算和静力试验、往复水平加载拟静力试验及水下振动台试验研究的结果，建立合理的钢筒混凝土组合桥墩承载力及刚度公式，提出适合工程设计的钢筒混凝土组合桥墩简化模型，波浪力和地震动水压力简化模型；提出钢筒混凝土组合桥墩的抗震设计方法，并对采用此类型桥墩的跨海大桥的抗震设计提出建议。

与陆地环境相比，近海环境更加复杂和恶劣。除强震外，潮湿腐蚀外部环境对桥梁主体构件的侵蚀，波流浪对桥梁下部结构的冲击震荡等也不容忽视，这对跨海大桥主体结构的性能提出了更高的要求，也为高性能结构及材料的应用提供了广阔空间。本项目结合我国工程实际，通过结构试验、理论、数值分析相结合的方法，围绕新型高性能桥梁主梁及桥墩的材料、构件、体系三个层面进行研究。首先，提出了适用于桥梁构件的等强结构用橡胶混凝土及等强橡胶钢纤维混凝土两种高性能材料，通过试验揭示了材料在单轴受压荷载作用下的受力机理及破坏演化过程，并提出了相应的单轴受压应力-应变全曲线模型。其次，对FRP筋橡胶混凝土梁、FRP筋橡胶混凝土柱、圆端形钢管混凝土桥墩、角部加强异形钢管混凝土桥墩及其腹板等一系列结构构件进行了大型静力单向加载试验及往复加载拟静力试验，建立了精细有限元模型并进行非线性数值分析，对构件的受弯、压弯及抗震性能进行了研究，提出了构件的恢复力模型，建立了构件的受弯承载力、压弯承载力及抗剪承载力公式，并提出了相应的设计建议。最后，探究了地震单独作用、波浪单独作用及地震-波浪联合作用下深水桥墩的动力响应规律及破坏模式演变，建立了地震-波浪联合作用下深水桥墩地震响应的简化分析方法，并对抗震设计关键参数给出初步建议。本项目对高性能组合结构在跨海大桥工程的推广和应用，跨海大桥工程抗震安全性的提高，及我国深水桥梁抗震设计规范的进一步完善有着一定的理论和工程意义。