近场地震作用下桥梁结构动力响应研究进展

针对当前近场地震动特性和桥梁近场地震动响应方面的研究进展，从近场地震动强度指标、地震动拟合、地震动反应谱特征3个方面综述了近场地震动特性的研究现状，并梳理了梁式桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥等不同结构型式的桥梁在近场地震作用下的动力响应特性研究进展，论述和比较了相关研究方法，总结归纳了现有近场地震作用下桥梁结构动力响应在今后有待进一步深入研究的若干问题及发展方向。     

沉管隧道纵向地震易损性分析方法

目前沉管隧道抗震性能设计仅限于横断面分析,缺乏面向沉管隧道纵向抗震性能评估的地震易损性分析方法。为此,建立沉管隧道纵向地震易损性分析方法及评估指标。首先,合理考虑沉管隧道结构特征及接头构造,给出了纵向地震易损性分析模型,其中沉管管节结构采用宏观梁单元模拟,沉管接头采用细观精细化模型模拟,宏-细观模型之间需满足连续性约束方程,地层采用非线性弹簧单元模拟,并通过等效线性化方法来描述地层的非线性特征;其次,根据隧道所处场地的地震动特征选择合适的地震动输入,以及相应的地震动强度指标和结构损伤指标,建立基于增量动力分析的纵向地震易损性评估方法及分析流程,可以依据沉管隧道的不同极限状态定义获得用于纵向抗震性能评估的易损性曲线;最后,以某沉管隧道为应用实例,基于该方法建立了沉管隧道纵向地震易损性分析模型及评估指标,通过计算分析得到了表征隧道纵向抗震性能的地震易损性曲线,并开展多因素分析进而揭示了管节分段长度、地震动输入方向、地层-结构相对刚度比等关键参数的影响规律。结果表明：沉管隧道所处场地位置处的峰值速度是反映隧道纵向地震易损性特征的最优地震动强度参数;沉管隧道地震易损性与输入地震动波长有关,且管...     

穿越活动断层隧道抗震韧性设计理念与关键问题

历史震害表明，穿越活动断层隧道损坏严重且震后修复或重建难度巨大，提升强震活动断裂区隧道抗震韧性已成为工程建设面临的关键难题。在调研穿越活动断层隧道结构典型震害实例的基础上，总结分析了震害启示并指出穿断层隧道结构抗震设计需要重点关注工程场地地震危险性评估、穿断层隧道抗震设防策略和安全防控措施3个方面；其次，结合文献调研，综述了目前穿断层隧道结构抗震研究相关工作，重点阐述了穿越活动断层隧道抗震分析方法、结构灾变机制认识和抗减震控制措施等方面的研究现状；在此基础上，搭建了穿越活动断层隧道工程抗震韧性的统一设防理念和设计框架，提出以“震前预留、震中稳定、震后恢复”为核心思想的隧道结构抗震韧性设防目标，并进一步考虑强地震动-活动断层位错耦合作用，建立了“场地分区、结构分段”的隧道抗震设防分区准则，提出了面向不同地震设防水准以“抗(减)、让、诱(避)/抢”分阶段的隧道抗震韧性设计思想，从而为穿越活动断层隧道抗震韧性设计提供了全过程防控策略；最后，讨论了目前穿断层隧道抗震研究急需攻克的关键科技问题，并对该领域今后研究工作的发展方向提出了展望。该研究旨在为穿越活动断层隧道工程建设提供面向抗震韧性的统一...     

空间变化场地对超高墩铁路桥梁地震响应的影响

为了研究空间变化场地对山区超高墩铁路桥梁抗震性能的影响,以贵州省境内一座超高墩铁路桥梁为工程背景,采用虚拟激励法对此超高墩铁路桥梁在空间变化场地条件下进行了抗震性能理论分析和数值模拟.考虑了多维地震动作用下,硬场地、中场地和软场地三种不同场地空间变化分布组合对此类桥梁随机地震响应的影响.研究结果表明:不同的场地分布组合对超高墩铁路桥梁地震响应影响不同,最高墩处的场地条件对结构响应的影响尤为明显;最高墩处为软场地,其他墩为硬场地时结构响应最大,为最不利工况,应予避免;对于超高墩铁路桥梁地震响应分析应充分考虑空间变化场地条件的影响因素,否则会低估地震作用下结构的响应.     

矩形波纹钢地下综合管廊结构抗震性能分析

本文以矩形断面波纹钢综合管廊结构为主要研究对象，结合有限元软件建立土层-结构数值模型，系统地探究了地震加速度峰值、波纹钢结构刚度、土体刚度等因素对矩形断面波纹钢综合管廊结构抗震性能的影响规律，明确了矩形断面波纹钢综合管廊结构在地震荷载作用下不同工况的最不利受力和变形位置。研究结果表明管廊结构内力与变形随地震加速度峰值增大而增大；管廊结构刚度增大，结构内力随之增大，相反地结构变形随之减小；管廊结构内力、变形和层间位移角均随土体刚度的增大而减小，且土层刚度越小，对结构变形影响更为明显。     

基于时程分析方法的地下综合管廊地震响应分析

为研究地下综合管廊在地震作用下的动力反应,采用模态方法和时程分析方法对综合管廊进行动力响应分析。通过ANSYS建立了管廊整体有限元数值分析模型,采用Drucker-Prager屈服准则模拟考虑土体性状,黏弹性边界解决地震波的散射问题,主从接触面来实现土-结构动力相互作用,研究分析了管廊的模态振型及地震响应、横断面在地震作用下的动力学特性。结果表明:线型管廊结构中部动载效应大,结构中上部应力最大,达到43.2 MPa,接近混凝土屈服极限,为管廊整体抗震设计提供依据。同时,管廊横断面上部的应力大,上中部的动态位移大,为管廊内部支撑系统抗震设计提供依据。     

跨越V形峡谷桥梁多层介质效应的多点激励破坏模式

由于崎岖地形（非平坦地表和非均匀地层）具有复杂的地震动空间变异性，对于该类场地效应的地震特异性所引发的结构差动损害尚无系统性的研究。为了深入研究崎岖地形下地震动空间效应对结构的影响，针对多层非均匀介质V形峡谷这种特殊地形，详细分析了V形场地下地震动频谱特性的影响因素（行波效应、相干效应和局部场地效应等），并模拟了相应的地震动输入；对一横跨V形峡谷的连续钢箱梁桥进行了有限元计算，对比分析了不同地震动输入和不同边界条件下结构模型的地震响应；探究了V形场地超大震作用下的桥梁破坏模式，计算出结构的薄弱部位，并着重对比了V形峡谷场地和平坦场地2种地形下的地震激励对结构破坏模式的影响差异，揭示了V形峡谷场地下的模拟多点地震输入特异性对桥梁的结构响应和破坏模式的特殊影响，发现同水平场地相比该类场地下的地震激励会在桥梁内部引发额外的差动内力，进而使桥梁破坏更早发生并改变了结构的破坏模式。结果表明：①V形峡谷场地极大地改变了地震波场中的散射波组成，且同水平场地地震激励相比，其对结构具有更强的空间差动效应，从而引发更大的差动内力；②与水平场地相比，V形峡谷场地地震动输入下的桥梁破坏发生时间较为提前，且初始破坏点并不相同，从而导致结构的破坏模式改变。     

V形河谷(场地)条件下刚构桥地震动响应研究

以(81+150+81)m刚构桥为工程背景，引入黏弹性人工边界的地震动输入方法，采用动力有限元法对三维蜿蜒河谷与桥梁结构的相互作用进行研究，对比分析了一致激励、二维河谷与三维蜿蜒河谷作用下桥梁的多种结构地震动响应。结果表明：1)由于受场地空间的变化，三维蜿蜒河谷对结构墩高变化区域响应更为敏感；2)桥梁结构墩高与桥跨高度(长度)突变处，场地效应会对大多数桥墩、梁跨的位移和内力有着明显的增大作用，与一致激励相比增幅均在40%以上；3)相较二维场地效应，三维蜿蜒地形对蜿蜒河谷谷底附近处的桥梁结构地震动放大效应更为明显，增幅在60%以上。研究表明位于蜿蜒河谷地形中的大跨度建筑结构，若仅考虑一致激励与二维场地效应，不能准确反映结构地震响应，该研究对蜿蜒河谷场地的抗震设计具有一定的指导作用。     

小半径曲线连续刚构桥梁的简化抗震设计计算

为了探讨小半径曲线连续刚构桥梁简化抗震设计的有效方法和适用性,以一座(80 m+2×120 m+80 m)的小半径公路曲线连续刚构桥为例,比较了0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°7种水平地震输入方向地震荷载工况下的直梁、弯梁模型的动力特性和地震响应。计算结果表明,在任意方向输入地震动时,构件的地震响应最大值均可能出现,因此通过改变地震动输入方向来确定地震响应最大值是有效的方法;该曲线桥可以按照直线桥来进行抗震设计,但需保证最不利截面的设计强度、提高墩顶梁截面的抗剪强度、加强外侧板式橡胶支座的抗震设计强度并约束主梁的横向位移。在满足上述局部构造设计强度的有效条件下,采用直梁代替弯梁对该桥进行简化抗震设计的方法适用可行。     

独塔斜拉桥横桥向不同体系振动台试验研究

为了研究独塔斜拉桥横桥向不同约束体系的抗震性能,以海南铺前大桥为工程背景,设计制作缩尺比为1:20的全桥结构模型,进行不同地震动作用下模型振动台试验,给出了模型结构动力特性识别结果以及各动力响应测量结果。对横桥向固结体系和弹塑性体系2种约束体系的试验数据进行整理分析与对比得出:全桥模型横桥向的地震响应与地震动的频谱特性有关。远场地震动作用下,采用弹塑性钢阻尼器的弹塑性体系相对固结体系能有效地减小关键点位移响应和关键截面应变响应;而在近场地震动作用下,采用弹塑性钢阻尼器的弹塑性体系产生了较大的结构(如主塔、主梁)位移响应。     

长大隧道地震响应分析与试验方法新进展

隧道抗震研究是当今地下工程防灾领域重要的研究方向之一。目前在隧道发展建设规模化、结构空间尺度大型化和局部节点构造形式复杂化的新形势下,针对长大隧道抗震研究所面临的纵向抗震设计理论、大规模地震响应分析方法、非一致地震激励效应等科学难题,在分析国内外隧道抗震研究现状的基础上,聚焦基础设施建设的重大需求,系统阐述长大隧道地震响应分析与试验方法新进展。介绍面向长大隧道纵向抗震设计的几种简化分析模型,推导任意动载作用下长大隧道纵向动力响应解析解,退化出行波效应下长大隧道纵向响应的理论解,直观地给出各参数之间相互关联的解析表达,并基于多质点-弹簧-梁模型进一步提出面向长大隧道纵向抗震设计的快速简化分析方法;建立长大隧道-地层大规模地震响应模拟的多尺度动力耦合分析方法,同时获得隧道-地层的整体宏观响应与隧道各组件细观动态演化,且不需要任何附加过滤和阻尼即可有效消除宏-细观多尺度界面的高频波虚假反射;提出长大隧道多点非一致激励振动台模型试验方法,推导模拟基岩面多个离散输入与连续输入的关联性,研制节段型模型箱及其联动装置,构建振动台阵多个独立台面分区多点输入的非一致激励隧道地震试验平台。以港珠澳大桥沉管隧道等实际重大工程为应用案例,阐述所建立长大隧道非一致地震响应分析原理和试验方法的适用性。最后介绍隧道关键节点的减震控制方法。研究结果在一定程度上反映了目前长大隧道纵向抗震设计和分析的发展水平,同时也为今后抗震工作的研究重点指明了方向。     

穿越活动断裂带铁路隧道抗震关键技术

震害统计结果表明，当隧道穿越活动断裂带段时，结构震损尤为严重，尤其是位错量达到m级时，仅靠结构自身难以抵抗。为建立穿越活动断裂带铁路隧道抗震技术体系，通过现场调查对大梁隧道震害特征进行分析，采用模型试验及数值模拟方法研究穿越活动断裂带隧道变形破坏机制。研究表明： 1）现有铁路隧道抗震技术及工程措施可保证洞口、浅埋及洞身非活动断裂带段的隧道结构在地震作用下保持结构稳定，但目前尚无可靠的隧道结构形式可以抵抗大尺度位错。2）基于震害调查结果，通过理论分析提出穿越活动断裂带隧道设防分区。3）穿越活动断裂带隧道的破坏主要集中在强烈影响段及其两侧一般影响段，应针对2种区段的不同震害机制分别进行抗震设防。4）通过理论分析及文献调研，提出穿越活动断裂带隧道新型多级减震可变结构设计体系、隧道震后快速抢通方案。     

盾构隧道实用抗震计算方法研究

首先分析了各国盾构隧道抗震计算的现状,总结了常用的盾构隧道抗震计算方法,分析了这些方法的优缺点及适用性。在此基础上介绍了在盾构隧道抗震分析方法方面笔者带领的研究团队近年来取得的部分进展,主要有:在盾构隧道横向抗震计算中提出修正静力法,解决了静力法的计算合理性问题;提出考虑环间接头非线性刚度的纵向迭代计算方法,进一步发展了纵向广义反应位移法的适用性,以期解决大型复杂结构在非均匀地层中的高精度计算问题;并介绍了上述研究进展在中国相关抗震规范中的采纳应用情况。最后对隧道实用抗震计算方法进行了展望:在管片结构劣化对盾构隧道抗震的影响、拟静力计算方法如何考虑地层非线性、近场地震动对隧道的影响等方面有待进一步研究。     

隧道与地下空间抗震防灾的若干思考

自阪神地震后,地下空间结构的抗震设计问题已越来越受到人们的重视。通过对历次地震中地下工程震害情况的介绍,总结各类地下结构震害的特点; 结合上海地铁某车站方案设计的计算结果,分析地下连体结构的抗震能力及其抗震设计要点; 介绍设计中常用的几种抗震设计计算方法,提出根据地下建筑使用功能和重要性的差异确定其抗震设防目标的理念,并对地下结构的抗震构造措施进行阐述。     

基于可更换构件的可恢复功能桥梁防震结构研究综述

基于大震不倒,且震后无需修复或者稍加修复就能恢复正常使用功能理念的可恢复功能桥梁防震结构是桥梁地震工程研究的热点之一。设置可更换构件是实现桥梁结构可恢复功能的一种有效途径,附加可更换构件可恢复功能桥梁防震结构是指：在结构适当部位设置减震装置作为可更换构件,通过牺牲可更换构件从而保护主体结构免受损伤或大幅减小损伤,震后通过更换损坏构件以恢复结构正常使用功能。对附加可更换构件的可恢复功能桥梁防震结构的研究进行了系统的梳理和总结。首先介绍了附加可更换构件的可恢复功能桥梁防震结构的设计理念;然后总结了目前国内外可更换构件的类型、附加可更换构件桥梁结构的抗震性能及其抗震设计方法的研究现状;并通过实际工程应用案例说明了附加可更换构件的可恢复功能桥梁防震结构的工程实践价值;最后探讨了附加可更换构件的可恢复功能桥梁防震结构的发展趋势。现有研究表明,附加可更换构件桥梁结构的功能可恢复性已得到了工程界的认可,但仍然需要在新材料、新构造形式的开发,系统性的试验研究以及抗震性能优化设计等方面开展深入研究。     

波纹钢管廊结构设计关键技术分析与问题探讨

波纹钢管廊结构具有受力性能优、施工时间短、造价低、环保性能好等优点。为深入了解波纹钢管廊结构的承载机制、破坏特征及装配化技术、规范化断面形式、土体加固方法及措施等关键设计方法，对美国、加拿大、澳大利亚等公路、铁路工程中的排水沟、地下通道、立交工程中波纹钢管道结构的应用情况进行介绍，分析梳理波纹钢管道在国外的工程应用、规范编制、技术特征和设计施工方法，并对波纹钢管结构的荷载计算、强度验算、设计流程和方法进行详细分析。结合国内波纹钢管廊建设技术的发展需要，从建设环境、结构断面形式、装配化、围护土体加固、最小埋置深度等方面探讨波纹钢管廊建设中存在的问题及发展趋势，提出对波纹钢管廊建设关键技术的研究建议。     

近场脉冲地震作用下穿越断层带隧道地震响应

在地震动峰值、速度脉冲及结构的地震响应等方面,近场地震动常表现出和远场地震动不同的特性。依据地震动破坏势从NGA-West2地震动库中选出2条近场脉冲型地震动,并与2条远场地震动进行对比分析,从而得到其频谱特性,即近场脉冲型地震波具有较明显的速度幅值,PGV与PGA比值及PGD与PGA比值较大,速度敏感区位于长周期段等特点。结合都汶高速公路龙洞子隧道工程,建立穿越断层带的隧道结构三维有限元模型,并以横断面方向分别输入近、远场地震波进行计算,研究近场脉冲型地震作用下穿越断层带隧道结构地震响应特性。结果表明：在近场脉冲型地震动作用下隧道的等效应变峰值较远场地震动大,并且在速度脉冲特性更显著的集集地震波作用下的应变峰值更大;与远离断层处相比,在断层面附近隧道横断面的等效应变峰值分布规律发生了变化,其横截面等效应变峰值最大处由拱脚变为拱顶,且在4种地震波作用下拱顶处结构的等效应变均超过了混凝土的峰值应变,进入破坏阶段;断层带内的隧道地震响应明显强于围岩条件较好的地层中的隧道,而断层带与较好围岩交界面附近的隧道地震响应更为剧烈,应变峰值随距断层距离的增大而迅速衰减。所得数值模拟结果与实际震害现象一致,可以为近场脉冲型地震动作用下穿越断层隧道的抗震设防提供参考。     

综合管廊地基加固与远期盾构隧道修建的相互影响分析

随着地铁盾构隧道、城市隧道、城市地下综合管廊等的大量修建,新建隧道下穿/上跨既有隧道及其相互影响已成为隧道工程重点研究的内容之一。对于既有隧道,以往的研究主要集中在城市隧道或盾构隧道。城市地下综合管廊具有埋深浅、宽度小、壁厚薄的特点。因此,当其被双线盾构隧道下穿时,既有隧道结构的内力、地表沉降等也必然不同。基于汾湖站（苏州南站）综合管廊工程,采用MIDAS GTS NX软件建立了三维有限元模型,分析了管廊地基加固对远期地铁盾构隧道修建的影响及其相互作用,以地基加固长度和上下隧道净距作为变量,考虑了盾构机的掘进压、千斤顶推力和管片间的界面。研究结果表明：对于该工程项目,若远期盾构隧道下穿综合管廊,管廊地基加固对管片的内力无明显影响;当双线盾构隧道下穿后,较短长度的地基加固会增大既有管廊的轴力（拉力）;对于初始阶段地表沉降,地基加固均增大了X向（垂直管廊方向）、Y向（平行管廊方向）的沉降值,但显著减小了盾构隧道下穿后地表的隆起值。     

盾构隧道纵向地震响应的多尺度分析方法

针对目前盾构隧道抗震设计仅限于横断面分析,缺乏有效的纵向地震响应分析方法的问题,提出了一种用于模拟盾构隧道纵向地震响应的宏-细观多尺度分析方法,其中宏观等效模型用于描述盾构隧道结构整体的地震响应特性,细观精细化模型用于捕捉结构关键断面接头处的变形响应。宏观等效模型采用黏弹性地基梁来模拟,即将盾构隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的三维梁单元,且充分考虑了由于环缝影响引起的梁纵向等效刚度折减以及隧道内部结构对纵向等效刚度的附加效应。基于宏观等效模型的地震响应规律分析,确定出盾构隧道沿线的最不利断面位置,从而将这些关键区段替换为考虑隧道环缝接头的细观精细化模型,即采用沿环向分布的轴向拉压弹簧和切向剪切弹簧来真实模拟地震作用下的环缝张开量和错位量等变形,克服了传统连续均质化模型无法反映环缝变形量的不足。最后,将该多尺度分析方法成功应用于世界首个特高压GIL电力盾构隧道,为实际重大工程的结构纵向抗震设计和安全性评价提供了科学依据和技术手段。