【摘 要】
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我国地震活动具有分布广、频次高、强度大、震源浅和灾情重等诸多特点,Ⅶ烈度区占国土面积一半以上,且建桥区多为可液化场地。近年,我国桥梁建设发展速度正日益加快,多跨混凝土桩基简支桥梁体系日益成为我国应用最广泛的桥梁与基础类型之一。多跨混凝土简支桩基桥梁体系的抗震问题本质上仍属于土-结动力相互作用范畴。历次震害要启示是:液化场地条件下,粗糙的土-结动力相互作用模型很可能使精细的桥梁体系分析无效。地震中是
【基金项目】
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国家自然科学基金重大研究计划“重大工程的动力灾变”项目《强地震下液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用动力p-y 曲线研究》（批准号:90815009）； 国家自然科学基金《液化侧向扩流场地桥梁桩基强震反应与稳定性分析方法》（批准号:51378161）； 国家自然科学基金《考虑弯曲-屈曲耦合失效模式的液化场地桥梁桩基强震反应
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我国地震活动具有分布广、频次高、强度大、震源浅和灾情重等诸多特点,Ⅶ烈度区占国土面积一半以上,且建桥区多为可液化场地。近年,我国桥梁建设发展速度正日益加快,多跨混凝土桩基简支桥梁体系日益成为我国应用最广泛的桥梁与基础类型之一。多跨混凝土简支桩基桥梁体系的抗震问题本质上仍属于土-结动力相互作用范畴。历次震害要启示是:液化场地条件下,粗糙的土-结动力相互作用模型很可能使精细的桥梁体系分析无效。地震中是否因场地液化引起多跨混凝土简支桩基桥梁体系破坏已成为桥梁抗震的工程难题与研究热点。现行桩基桥梁抗震设计方法中,一般不考虑桩-土-桥梁结构动力相互作用与土体液化效应对桩基抗震性能的不利影响效应。此外,我国现行桥梁抗震设计规范在液化场地多跨混凝土桩基简支桥梁体系抗震方面尚无有效设计的技术细节,与目前桥梁建设发展速度极不适宜。工程实践与研究进一步表明,为了确保简支桩基桥梁体系抗震设计的科学性、系统性与安全性,开展简支桩基桥梁体系的抗震性态分析并据此发展基于性态的设计方法已成为学术界与工程界的共识。鉴于上述,本文依托基于现代设计理念的桥梁桩基在液化场地破坏频发的工程背景,致力于解决多跨混凝土简支桩基桥梁体系的抗震问题,充分考虑桩-土-上部结构耦合体系强非线性效应,采用咨询调研、震害调查、理论解析与数值模拟、试验验证等综合研究方法,系统开展了液化场地群桩-土-多跨简支桥梁体系地震反应与抗震性态分析的研究,主要研究内容与重要认识,简述如下:首先,直接针对液化场地桩-土地震相互作用离心机振动台试验,通过u-p控制方程与土体的多屈服面弹塑性本构模型相结合的技术途径,准确刻画饱和砂土的水土动力耦合作用效应,桩采用非线性梁-柱单元,桩-土接触面采用零长度单元模拟,基于面向对象的目标导向性和开放代码的地震工程有限元分析程序OpenSees,建立桩-土地震相互作用分析的三维非线性弹塑性有限元模型,并通过离心机试验验证模型的正确性;鉴于工程常用的美国石油工程协会（API）推荐的砂土p-y曲线并没有考虑土体液化效应与群桩效应,采用验证的有限元模型,通过反复的数值模拟计算得到p-y曲线结果,绘制出不同孔压比对应的砂土动力p-y曲线簇,借助构建土的动应力-动应变滞回曲线骨干线的基本技术思路,修正并发展了考虑群桩效应的砂土动力p-y曲线模型;继之,基于提出的p-y模型和非线性动力文克尔地基梁理论,发展液化场地群桩-土地震相互作用分析的简化方法,并采用离心机试验结果验证了简化方法和群桩p-y曲线模型的可靠性。然后,针对某液化场地五跨混凝土简支桩基桥梁体系,基于动力非线性文克尔地基梁法,采用新建的考虑群桩效应的动力p-y曲线模型,建立液化场地三维群桩-土-简支桥梁结构地震相互作用简化分析的数值模型;然后,将采用自由液化场地一维非线性有限元计算程序计算获得砂层的位移和孔压比时程作为外部激励,实施并提出了液化场地三维群桩-土-桥梁结构体系地震反应的子结构有限元分析法（即:两阶段分析法）,并通过对比整体有限元分析法和子结构有限元分析法计算结果验证了该子结构法的可靠性,同时开发了三维有限元计算软件MssSRA,并采用理论解和振动台试验分别验证了软件静力分析和地震时程分析的可靠性。接着,借助计算软件MssSRA,选取典型的近场脉冲型、近场非脉冲型和远场地震动记录,完成了液化场地群桩-土-桥梁结构体系地震反应有限元分析,研究了不同类型地震动作用下桥梁结构体系地震反应基本规律,考察了不同地震动参数与群桩-多跨简支桩基桥梁体系地震反应之间的相关性,甄选出地震动强度指标PGV/PGA能够很好地表征群桩-多跨简支桩基桥梁体系地震响应的基本特征。最后,基于选定的地震动强度指标PGV/PGA,针对液化场地多跨简支桩基桥梁体系,考虑性态指标因地震随机性而引起的不确定性和认知引起的不确定性,结合地震危险性曲线自身的不确定性,推导出性态指标危险性曲线的解析表达式;利用已确定的地震动强度指标,输入不同幅值的地震动,进行液化场地多跨简支桩基桥梁体系地震反应分析;基于分析结果,选取地震时程反应的最大值作为性态指标的响应;通过在双对数坐标下进行线性拟合,得到不同性态指标（即体系关键位置的位移和弯矩地震响应）的地震需求模型,进而获得不同性态指标的地震危险性曲线。本文工作对于客观认识液化场地多跨简支桥梁结构体系强震反应规律,精准分析其动力反应特性,科学完善现行液化场地多跨简支桥梁结构体系抗震设计规范方法,有效实施相应的抗震设计等,无疑具有重要理论和使用价值。
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