空间多点地震激励下桥梁结构非线性碰撞机理及减震研究

The beam falling due to pounding is one of the extreme bridge failure modes during the earthquake. As the earthquake is stochastic and unforeseen, the beam pounding mechanisim is very complex so that the spatial seismic input and three-dimensioanl nonlinear analysis should be included in the pounding analysis. Unfortunately, the related theory and experiments are lack.This project is aimed at investiagteing the nonlinear pounding mechanisim and pounding migitation of bridge superstructures under spatial and multi-point earthquake excitations by means of theory, numerical simulation and lab experiment. It is intended to solve the spatial and multi-point seismic wave combination that can include the time delay, partial coherence and site effect and to establish the three-dimension pounding analysis model that can consider face-face pounding, encentric pounding and impact properties of concrete. The propect proposes the shake table tests of bridge pounding under spatial and multi-point seismic excitation in the laboratory. The experimental results will be used to verify the analytical model. With that verified analytical (fifnite element) model, the three-dimensional and nonlinear pounding response analysis and corresponding parametric studies can be carried out to figure out the bridge pounding failure mechanisim. The project will also investigate the different migitation devices to reduce the pounding effects and corresponding design guideline will be proposed. In that mean, the project has both a significant theoretical value and a engineering application value.

碰撞导致的落梁是桥梁地震最严重的破坏形式之一。由于地震的随机性和突发性，地震作用下桥梁结构碰撞机理异常复杂，需要考虑空间多维多点地震激励以及三维和非线性碰撞分析，然而相关的理论和实验研究还不多。项目从理论、数值模拟和试验三个方面，对桥梁结构在空间多维多点地震激励下的非线性碰撞机理及减震技术进行深入研究，旨在解决能同时考虑行波效应、部分相干效应及局部场地效应的空间多维多点地震动的合成技术；建立能考虑相邻桥跨之间面－面碰撞、偏心碰撞和混凝土冲击非线性的三维碰撞分析模型；进行空间多维多点地震激励下桥梁结构碰撞地震台实验，根据试验结果验证数值分析模型；展开三维和非线性碰撞响应计算和参数分析，搞清桥梁结构地震碰撞破坏机理；在此基础上研究不同减震装置对桥梁结构碰撞效应的影响，联合采用模数式伸缩缝及限位器，并给出相应准则，指导桥梁结构碰撞减震防灾设计。项目研究具有较大的理论意义和工程实用价值。

桥梁结构的碰撞及落梁破坏在历次的大地震中普遍存在，由于地震的随机性和突发性，地震作用下桥梁结构碰撞机理异常复杂，需要考虑空间多维多点地震激励以及三维和非线性碰撞效应。除了相邻桥跨结构动力特性的差异之外，地震动的空间差异性也是导致桥梁上部结构发生碰撞和落梁破坏的一个重要因素，因此对空间多维多点地震激励下桥梁结构碰撞机理及减震的理论和实验研究，具有重要的理论意义和工程实用价值。. 本项目从理论、数值模拟和试验三个方面，对桥梁结构在空间多维多点地震激励下的非线性碰撞机理及减震技术进行深入研究，旨在解决能同时考虑行波效应、部分相干效应及局部场地效应的空间多维多点地震动的合成技术，建立能考虑相邻桥跨之间面－面碰撞、偏心碰撞和碰撞非线性的三维分析模型。进行空间多维多点地震激励下桥梁结构碰撞振动台实验，根据试验结果验证数值分析模型，展开三维和非线性碰撞响应计算和参数分析，搞清桥梁结构地震碰撞破坏机理。在此基础上研究不同减震装置对桥梁结构碰撞效应的影响，提出减轻地震过程中桥梁碰撞和落梁破坏的减震措施。. 设计制作了两组大比例（1:6）多跨刚架桥梁模型，采用多台阵系统进行了振动台试验，从试验的角度对空间多点非一致激励下的相邻桥梁结构碰撞响应进行了研究。基于小波变换的方法，对地震导致的相邻桥面之间的碰撞时刻进行识别，分析了碰撞响应、地震动空间效应以及基础形式对桥梁地震响应的影响。试验结果表明，小波变换方法可较准确的识别碰撞的发生，碰撞易造成伸缩缝处的桥面混凝土局部严重破坏。空间多点地震激励对结构的地震响应以及碰撞响应的影响显著，会造成相邻桥面相对位移响应的加剧，提高了上部结构碰撞及落梁的风险。基础的摇摆性能有利于降低桥墩在地震过程中的弯曲响应，却显著提高了上部结构之间的相对位移响应，增加了上部结构的碰撞和落梁风险。