基于震后性能要求的复杂钢桥抗震设计方法研究

The survey of earthquake disaster shows that structural damages of steel bridges subjected to near-field earthquake are inevitable. The calculation method of seismic response in plastic region and the corresponding damage criterion is urgently needed to improve the steel bridge design code. At present, the design method of single-column steel pier is getting perfect, but seismic design method of complex steel bridge is still the focus of scholars' research both at home and abroad. Complex steel bridges subjected to various axial force and biaxial bending deformation are adopted for investigation in this project. Through the experiment and theoretical study the material hysteresis model is improved, and the reasonable seismic response calculation method of structures is proposed. The damage index of the ultimate state considering the local and overall residual deformation is established according to the requirements of post-earthquake serviceability and repairability. On this foundation, taking typical deck-through and half-through arch bridges as study cases, we study the plastic region-based seismic response of complex bridges by multi-scale finite element models. The structural damage performance under near-field earthquake and spatial earthquake is also analyzed. Further more, reasonable anti-seismic system is suggested for control of seismic vibration. Through the study of this project, it is expected to obtain the achievements below: proposal of the nonlinear hysteretic model that applicable to steel material under complex stress state and seismic damage index based on post-earthquake performance requirements; the acquisition of empirical formula for effective structure failure length; establishing the principles and specific requirements of the high-precision seismic response calculation models of steel bridges; exploration on seismic failure characteristics and reasonable anti-seismic systems of the complex steel bridges.

地震灾害表明，钢桥在近场地震作用下发生结构损伤不可避免，建立其塑性域地震反应算法和损伤指标是完善钢桥抗震设计规范的急需。目前，独柱式钢桥墩的设计方法趋于成熟，而复杂钢桥抗震设计方法是国内外学者的研究焦点。本项目以受动轴力和双轴弯曲变形的复杂钢桥为对象，通过试验和理论研究改进钢材的滞回模型，提出合理的结构地震反应计算方法，根据震后的使用性和修复性要求建立包括局部和整体变形的极限状态损伤指标。在此基础上，以上承式和中承式典型钢拱桥为重点，通过多尺度计算模型研究复杂桥梁塑性域的地震反应，以及近场地震、空间地震作用下的结构损伤特性和合理的结构减震体系。通过本项目研究，预期取得以下几方面的研究成果：提出适用于复杂应力状态的钢材非线性滞回模型和基于震后性能要求的地震损伤指标；得到结构地震破坏区有效长度经验公式；确立高精度地震反应计算模型和离散要求；探索复杂钢桥的抗震构造和合理的减震方法。

尽管钢桥的地震破坏程度比混凝土桥梁轻微，但地震灾害表明，钢结构在强震荷载作用下有可能发生钢板局部失稳、超低周疲劳开裂等形式的地震损伤，建立考虑结构损伤的钢桥抗震设计方法十分必要。迄今为止，我国对这类结构的地震损伤机理以及抗震设计方法缺乏研究，在实际工程中多采用较为保守的弹性设计方法，而这种设计方法一方面不经济，另一方面由于对钢桥地震破坏机理缺乏认识，当桥梁遭受到超过预期强度的地震作用时容易发生致命性的倒塌破坏。. 本项目以建立考虑结构损伤的钢桥抗震设计方法为研究目的，根据立项的研究计划，对钢桥在强地震作用下的结构损伤特征、计算方法以及计算模型、滞回本构模型、超低周疲劳损伤特性等方面进行理论和实验研究，通过四年的研究主要取得了以下几方面的成果：.1）系统研究了考虑结构参数和多方向地震作用的钢桥墩地震破坏区域长度及其基本特征，为合理的有限元计算模型提供了建模依据；.2）以钢拱桥为对象，研究了复杂地震荷载下的结构损伤特性；.3）对双曲面滞回本构模型进行了再修正，并以ABAQUS为平台实现了用双曲面模型的钢桥结构动力地震反应计算；.4）标定了我国钢桥中最常用的钢材Q345qC双曲面模型材料参数；.5）利用双曲面模型的修正经验，对钢筋MP模型中长期存在的不合理小幅循环履历问题提出了修正方法，根本上解决了小幅循环下的不合理履历问题；进一步利用MP模型提出了钢结构阻尼元件在双向地震作用下的简化计算模型；.6）对钢材的母材、焊接接头、锈蚀钢材的超低周疲劳性能进行了试验研究和分析；.7）研究了高强度钢材的疲劳性能，提出了疲劳裂纹扩展参数；.8）通过对研究成果的整理和提炼，最终编著了《钢桥抗震设计》一书。. 整个研究工作发表18篇学术期刊论文，其中SCI收录5篇，EI收录13篇。会议论文7篇（其中4篇为国际会议论文）。参加国际、国内学术会议14人次。申请专利一项。培养已毕业的博士研究生3人，硕士研究生4人。.本项目研究基本上奠定了建立钢桥抗震设计方法的基础，在下一步研究中以此为基础通过开发考虑钢板局部变形影响的简化计算模型，提出以性能为目标的验算方法，建立钢桥抗震设计体系。