考虑体系弯扭非线性的异型桥梁地震最不利输入方向及易损性研究

In recent years, special shaped bridges are massively constructed because of their aesthetic appearance. Special shaped bridges are susceptible to strong motion due to the complexities of structural type and force transforming route. There is limited work on the critical incidence angle and seismic vulnerability analysis of isolated special shaped bridges, which leads to potential threats to these bridges. Thus, this project focus on three types special shaped bridges, i.e. special shaped girder bridge, special shaped arch bridge and special shaped cable supported bridge. An improved response spectrum method is used to determine the critical input angle of these special shaped bridges, and seismic fragility of the bridges is analyzed. The main contents are as follows: (1) observation of the dynamic characteristics of special shaped bridge with consideration of system bending and torsion nonlinearity (2) establishment of the improved response spectrum method used for determining the critical input angle of isolated special shaped bridge, and this method is validated by the maximum energy of the bridge. (3) research on the appropriate intensity measure(IM), the component probabilistic capacity model with varying gravity force, and the system fragility of special shaped bridge. (4)conducting shaking table test with multi-tables, which can be used for verifying the rationality of finite element model and theoretical methods. The research outcomes can provide support for seismic analysis , seismic vulnerability estimation and isolation design of special shaped bridge.

近年来，外形独特、造型美观的异型桥梁发展迅速，与此同时结构形式以及传力途径的复杂性导致其结构体系呈现出较高的弯扭耦合非线性行为，目前对于异型桥梁减震体系的最不利输入方法及地震易损性分析研究开展较少，这些都为异型桥梁的安全留下隐患。为此，本项目以三类异型桥梁（异型梁桥、异型拱桥和异型缆索桥）为主要研究对象，采用改进反应谱法确定异型桥梁地震动最不利输入方向并实现易损性分析，主要内容包括：（1）研究考虑体系弯扭非线性的异型桥梁动力特性；（2）研究确立异型桥梁减震体系最不利输入方向的改进反应谱方法并通过结构最大输入能量验证其合理性；（3）研究异型桥梁的合理地震动强度指标，考虑动轴力变化的异型桥梁构件能力概率模型，开展异型桥梁体系易损性分析；（4）进行异型桥梁多台阵振动台试验，验证有限元模型与理论分析方法的有效性。研究成果可为异型桥梁减震体系的设计方法、地震易损性分析提供重要的理论支撑。

异型桥梁能够较好地适应地形、地物环境，且具有美观的外形，在交通运输系统中扮演着越来越重要的角色。由于结构形式和传力途径的复杂性，地震作用下异型桥梁体系呈现出较高的弯扭耦合非线性。特别地，由于地震动的随机性，异型桥梁地震反应对激励方向的敏感性比规则桥梁更强。因此，地震动激励方向成为了影响曲线梁桥抗震性能评估可靠性的关键因素之一。而现有研究在异型桥梁最不利激励方向的判别标准和确定方法、抗震性能评估手段以及减震措施等方面存在一定的局限。本课题以多跨异型梁桥为主要研究对象，采用理论研究、数值模拟以及试验研究相结合的手段，围绕着地震动最不利输入方向确定方法和考虑地震动输入方向影响的结构易损性分析两个问题展开了如下几方面工作：.（1）.提出了基于构件合响应的结构最不利输入方向确定方法（RRB法），并进行了数值与振动台试验验证；.（2）.提出了适用于异型桥梁概率地震需求分析的最优地震动强度指标(IM)；.揭示了构件概率地震需求随激励方向的变化规律；.（3）.揭示了异型桥梁易损性随地震动激励方向的变化规律；.（4）.提出了考虑地震动激励方向影响的桥梁地震损失评估方法；.（5）.揭示了地震动空间效应对异型桥梁体系抗震性能随激励方向变化规律的影响；.（6）.提出了异型梁桥多方向减震限位装置。.研究结果表明，RRB法对于异型桥梁最不利输入方向确定和峰值响应预测具有较高的准确性和普适性。地震动输入方向对异型桥梁构件易损性的影响程度与地震动强度的变化有关；随着结构损伤的不断累积，地震动输入方向对结构体系抗震性能的影响逐渐减小。多水平弹簧限位器和多向拉索限位器可以有效地减小不同地震动激励方向下异型梁桥的地震响应，起到良好的减震限位效果。本课题研究成果对于准确揭示地震动输入方向对异型桥梁地震反应的影响、完善其抗震评估流程具有较强的理论意义，同时为实际工程的抗震设计和评估提供重要的借鉴和参考。