近海场地空间变化地震动作用下跨海斜拉桥易损性分析方法研究

During the past few years, the engineering construction of offshore bridge structures has been developing rapidly in China. However, the academic research on the seismic performance of sea-crossing cable-stayed bridges still exists many deficiencies. Bridge structural seismic fragility analysis method, which can provide the structural damage probability under a certain level of earthquake ground motion intensity, has become a hot issue in current research of bridge engineering. Through theoretical analyses, numerical simulations and underwater shaking table tests, this project aims to propose a seismic fragility analysis method for sea-crossing cable-stayed bridges by considering the effects of offshore seismic motion inputs, ground motions spatial variations, soil-structure interaction (SSI) and fluid-structure interaction (FSI). Based on the derivation of offshore site ground motion transfer functions, a method will be developed to simulate the spatial seismic motions at any depth of an offshore site. The seismic responses of sea-crossing cable-stayed bridges under simulated spatially varying offshore seismic motions will be calculated through numerical simulations, in which the effect of SSI is considered using the P-y method. Moreover, the underwater shaking table tests of a cable-stayed bridge pylon-pile foundation system are to be conducted and the numerical analysis method for considering the effects of FSI based on the hydrodynamic added mass approach will be validated and verified using the test data. Finally, a scientific and reasonable method will be presented to analyze the component and system seismic fragilities of sea-crossing cable-stayed bridges. The research works of this project can provide a vital support for the seismic performance evaluation and design of sea-crossing cable-stayed bridge structures.

我国近年来在跨海桥梁工程建设领域发展迅速，但学术界对于跨海斜拉桥结构的抗震研究尚存不足。桥梁地震易损性分析能够给出在确定地震强度下结构超过某种破坏极限状态的概率，是目前桥梁工程界的研究热点。本项目拟采用理论分析、数值模拟和水下振动台试验相结合的方法，提出综合考虑近海场地地震动输入、地震动空间效应、土-结构相互作用（SSI）和流体-结构相互作用（FSI）的跨海斜拉桥地震易损性分析方法。通过推导近海场地地震动传递函数，建立海底土层任意深度处的空间变化地震动模拟方法；基于P-y曲线法考虑SSI效应，采用数值模拟方法研究近海场地空间变化地震动作用下跨海斜拉桥的地震反应；开展斜拉桥索塔-桩基的水下振动台试验研究，对基于动水附加质量考虑FSI影响的数值分析方法进行验证和校核；最终提出科学合理的跨海斜拉桥结构构件和系统的地震易损性评估方法。本项目的研究可为跨海斜拉桥结构的抗震性能评价与设计提供重要参考。

为了优化沿海地区交通网络布局并促进经济快速发展，我国近年来兴建了多项近海桥梁工程。我国东南沿海地区处于环太平洋地震带，地震灾害频发。跨海斜拉桥结构是近海交通工程中的关键构件，其在地震作用下的破坏将会带来巨大的经济损失。本项目针对目前近海桥梁抗震设计中存在的关键科学问题，开展了近海场地空间变化地震动作用下跨海斜拉桥易损性分析方法研究。首先，为了解决世界范围内近海强震台网数量有限、实测海底地震动数据匮乏的问题，提出了基于传递函数理念的海底地震动人工模拟方法，并通过考虑行波效应、相干效应和局部场地效应开发了近海场地内部多维多点地震动的模拟软件。其次，基于P-y方法研究了跨海斜拉桥结构的桩-土相互作用，分别采用非线性P-y、T-z和Q-z弹簧模拟桩基与土之间在桩身水平向、桩身竖向和桩端竖向的动力相互作用，并采用不同桩身位置的土弹簧自由端输入模拟生成的近海场地三维空间变化地震动作为输入，实现精确合理的桩-土相互作用有限元数值计算。此外，利用 Morison方程和辐射波浪法计算群桩基础的动水附加质量，建立了考虑桩水相互作用的有限元分析模型，并采用水下振动台试验数据验证了数值方法的有效性；进一步开发了可模拟桥墩和索塔的动力纤维梁柱单元模型，研究了应变率效应对桥梁结构地震反应的影响。最后，通过考虑结构参数和地震动输入的不确定性，基于概率性地震需求分析方法计算跨海斜拉桥构件的地震易损性，实现了考虑近海场地地震动、地震动空间效应、桩土相互作用的跨海斜拉桥结构地震易损性分析方法。本项目的研究成果可为近海桥梁结构的抗震性能分析与设计提供有益参考。