考虑地震动空间变化性的曲线梁桥简化设计方法研究

Due to the serious collapse of curved bridges in the past earthquakes and the lack of seismic design provisions for curved bridges under spatially varying ground motions (SVGM), the objective of this study is to develop an explicit seismic design approach for curved bridge under SVGM. Firstly, based on the modeling of spatially correlated ground motions at varying site conditions, systematic and comprehensive parametric studies will be conducted in investigating the seismic effects on curved bridges owing to their structure parameters and configurations as well as the physical parameters of SVGM input by using the nonlinear response history analysis. According to the conclusions derived from the aforementioned parametric studies, the calculation method and applied modes of pseudo-static displacements for curved bridges are verified and provided to reflect the dynamic response characteristics of curved bridges under SVGM. The proposed design scheme based on response spectrum method is expected to be readily accessed by the design engineers for seismic design of curved bridges and the results of this study will be of prime significance on the development of China bridge seismic design guidelines accounting for ground motion spatial variability.

在历次强震中，曲线梁桥均有发生破坏和倒塌的例子，而现有规范却缺乏空间变化地震作用下曲线梁桥的相关抗震设计方法。鉴于此，本项目拟采用波动理论和边界元法并结合编程来模拟地震波在复杂土体结构中的传播，同时利用场地传递函数来体现不同土体参数和土层分布不规则性引起的局部场地效应，给出不规则土层分布情形下的地震动空间模型理论及人工地震动合成方法，在此基础上以不同结构参数（曲率、支座布置方式、墩高）的曲线梁桥为研究对象，采用非线性时程分析方法，研究空间变化地震作用下曲线梁桥的动力响应特点、破坏形式和破坏机理，分析结构参数和地震动空间模型参数对曲线梁桥动力响应的影响规律和程度，确定符合空间变化地震作用下曲线梁桥动力响应特征的拟静力位移计算方法和施加模式。本项目将基于反应谱法建立一套简单、实用的考虑地震动空间变化性的曲线梁桥简化设计方法，为中国桥梁抗震设计规范的修订和完善提供重要参考和依据。

地震动空间变化性对结构响应的影响，尤其对于桥梁、管线和大坝等延长型结构的影响是不可忽略的。本项目以常见的曲线连续梁桥为背景，通过振动台试验和数值模拟分析，研究了桥梁结构在空间地震动作用下的抗震性能及响应规律，主要研究工作及成果包括如下几点：（1）给出了不规则场地条件下空间变化地震动的合成方法。该方法通过场地传递函数将基岩功率谱转化为地表功率谱，从而有效地考虑了土层不规则性对地震动的影响。（2）进行了空间变化地震动作用下曲线梁桥抗震性能的试验研究。指出行波效应、不相干效应以及局部场地效应对曲线梁桥的动力响应均具有一定的影响，以不规则场地条件和土层分布所引起的局部场地效应较为显著，如果 在抗震设计中不考虑这些因素的影响，将会错误地估计结构的响应。（3）分析了结构参数与地震动参数对曲线梁桥动力响应的影响规律。指出地震动参数对曲线梁桥动力响应的影响规律基本上与试验结果相同；圆心角和墩高的变化均会改变地震动空间效应对结构响应的影响程度。（4）地震动的空间变化性和脉冲效应不但会对桥梁结构的内力产生显著影响，还会增大结构的振幅或加剧相邻结构之间的不同步振动，从而显著增大碰撞发生的概率和碰撞力的大小，在桥梁的抗震设计中应考虑其对桥梁结构碰撞产生的影响，否则会错误的估计结构的响应。（5）研究了在桥梁抗震设计中考虑地震动空间变化性的简化方法的适用性。指出欧洲规范所提出的简化设计方法虽然可以简单、快速地考虑非一致激励的影响，但可能会低估地震动空间效应的放大作用，特别是对于曲线梁桥这种不规则结构；该方法无法估计结构响应的分布以及最不利反应发生的位置；对于上下部结构通过滑动支座等具有较明显非线性特征的支座连接的桥梁结构，该方法是不适用的。以上研究成果在一定程度上揭示了地震动空间变化性对桥梁结构动力响应的影响规律，可为强震地区的桥梁抗震设计提供参考和指导。