生命線地震工程的若干研究進(jìn)展及NJUT發(fā)展方向- 汶川地震中

1、2010年度土木工程學(xué)院學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，年度土木工程學(xué)院學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，2010-12-181.1. 生命線地震工程研究的基本問(wèn)題生命線地震工程研究的基本問(wèn)題南水北調(diào)南水北調(diào)西氣東輸西氣東輸三峽水利三峽水利青藏鐵路青藏鐵路川氣東送川氣東送1971年，美國(guó)San Fernando地震中舊金山市基礎(chǔ)設(shè)施遭受重創(chuàng)，震后由Charles Martin Duke領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首先提出了生命線地震工程(Lifeline Earthquake Engineering)的概念；1974年，美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)(ASCE)成立了生命線地震工程技術(shù)委員會(huì)(TCLEE)；1977年，美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)壓力容器與壓

2、力管道委員會(huì)成立了生命線地震工程專門學(xué)組(Task Force on Lifeline Earthquake Engineering)；1979年，第二屆美國(guó)地震工程會(huì)議上發(fā)表6篇有關(guān)生命線地震工程研究的學(xué)術(shù)論文；1981年，國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所成立第四研究室，專門從事生命線地震工程研究工作；1984年，第八屆世界地震工程會(huì)議在日本舉行，生命線地震工程首次被列為會(huì)議專題。 The Charles Martin Duke Lifeline Earthquake Engineering Award recognizes an individual who has made a definite

3、 contribution to the advancement of lifeline earthquake engineering.1. 以系統(tǒng)的形式存在并發(fā)揮功能以系統(tǒng)的形式存在并發(fā)揮功能系統(tǒng)性系統(tǒng)性 功能失效；功能失效； 元件、生命線子系統(tǒng)相互作用；元件、生命線子系統(tǒng)相互作用； 系統(tǒng)優(yōu)化；系統(tǒng)優(yōu)化；2. 需要覆蓋廣闊的地域需要覆蓋廣闊的地域復(fù)雜性復(fù)雜性 地震動(dòng)空間相關(guān)性；地震動(dòng)空間相關(guān)性； 危險(xiǎn)環(huán)境無(wú)法回避；危險(xiǎn)環(huán)境無(wú)法回避； 非非“抗抗”防災(zāi)理念；防災(zāi)理念；3. 研究對(duì)象的主要物理特征差異大研究對(duì)象的主要物理特征差異大多樣性多樣性 環(huán)境作用復(fù)雜：斷層、液化、滑坡、震陷。環(huán)境作用復(fù)雜：

4、斷層、液化、滑坡、震陷。 生命線結(jié)構(gòu)形式多樣；生命線結(jié)構(gòu)形式多樣；Electric powerGas and liquid fuelsTelecommunicationsTransportationWaste disposalWater supplyLevees and floodwalls2.2. 生命線地震工程研究的若干進(jìn)展生命線地震工程研究的若干進(jìn)展1. 穿越斷層埋地管線抗震研究穿越斷層埋地管線抗震研究活動(dòng)斷層區(qū)鋼制管道破壞情況 跨越活動(dòng)斷層區(qū)鋼管截面大變形（1999年臺(tái)灣集集地震） 1. 穿越斷層埋地管線抗震研究穿越斷層埋地管線抗震研究1. 穿越斷層埋地管線抗震研究穿越斷層埋地管線抗震

5、研究NewmarkNewmark模型模型KennedyKennedy模型模型WangWang模型模型梁模型梁模型Takada-Takada-梁模型梁模型NJUTNJUT模型模型殼模型殼模型下一步？下一步？幾種分析計(jì)算模型1. 穿越斷層埋地管線抗震研究穿越斷層埋地管線抗震研究管-土系統(tǒng)分析模型 2. 城市橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 橋梁震害示例橋梁震害示例 1971 1971年美國(guó)年美國(guó)San FernandoSan Fernando地震地震2. 城市橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 橋梁震害示例橋梁震害示例 1994 1994年美國(guó)年美國(guó)NorthridgeNorthridge地震地震2. 城市

6、橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 橋梁震害示例橋梁震害示例 1995 1995年日本年日本KobeKobe地震地震2. 城市橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 橋梁震害示例橋梁震害示例 1999 1999年中國(guó)臺(tái)灣集集地震年中國(guó)臺(tái)灣集集地震2. 城市橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 橋梁震害示例橋梁震害示例 2008 2008年中國(guó)汶川地震年中國(guó)汶川地震2. 城市橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 城市橋梁有什么不同的特性？城市橋梁有什么不同的特性？人口和財(cái)富高度人口和財(cái)富高度集中集中間接損失和社會(huì)間接損失和社會(huì)影響難以估量影響難以估量曲線梁橋曲線梁橋非規(guī)則梁橋非規(guī)則梁橋社會(huì)功能方面社會(huì)功能方面結(jié)構(gòu)體系方面結(jié)構(gòu)體

7、系方面城市橋梁城市橋梁彎扭耦合反應(yīng)彎扭耦合反應(yīng)下部結(jié)構(gòu)反應(yīng)下部結(jié)構(gòu)反應(yīng)2. 城市橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 城市橋梁防震減災(zāi)的薄弱環(huán)節(jié)和核心問(wèn)題是什么？城市橋梁防震減災(zāi)的薄弱環(huán)節(jié)和核心問(wèn)題是什么？薄弱環(huán)節(jié)一：震前評(píng)估技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)一：震前評(píng)估技術(shù)震害有沒(méi)有發(fā)生？震害有沒(méi)有發(fā)生？震害的程度？震害的程度？震害的部位和影響范圍？震害的部位和影響范圍？薄弱環(huán)節(jié)二：失效控制技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)二：失效控制技術(shù)減輕下部結(jié)構(gòu)破壞的手段減輕下部結(jié)構(gòu)破壞的手段防止上部結(jié)構(gòu)落梁的措施防止上部結(jié)構(gòu)落梁的措施控制基礎(chǔ)發(fā)生破壞的方法控制基礎(chǔ)發(fā)生破壞的方法核心問(wèn)題：橋梁結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析的準(zhǔn)確性！核心問(wèn)題：橋梁結(jié)構(gòu)非線性地震

8、反應(yīng)分析的準(zhǔn)確性！2. 城市橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 美國(guó)：始于美國(guó)：始于19711971年年San FernandoSan Fernando地震后地震后 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)； 數(shù)值分析：數(shù)值分析： NEABSNEABS（8080年代初期）年代初期）； 主要認(rèn)識(shí)主要認(rèn)識(shí) 橋墩的彈塑性；橋墩的彈塑性； 上部結(jié)構(gòu)曲梁?jiǎn)卧ㄒ灾贝簧喜拷Y(jié)構(gòu)曲梁?jiǎn)卧ㄒ灾贝?支座、伸縮縫等非線性效應(yīng)（摩擦、碰撞）；支座、伸縮縫等非線性效應(yīng)（摩擦、碰撞）；2. 城市橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 1997年年Desroches利用強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)研究行波效應(yīng)對(duì)曲線利用強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)研究行波效應(yīng)對(duì)曲線 梁橋的影

9、響，強(qiáng)調(diào)多點(diǎn)輸入重要性梁橋的影響，強(qiáng)調(diào)多點(diǎn)輸入重要性 I-10/215橋梁橋梁1992年年Big Bear 地震地震2. 城市橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 1998年年 Fenves等關(guān)于等關(guān)于R14/I5立交橋震害研究立交橋震害研究 強(qiáng)調(diào)抗震分析中能力與需求作為核心要素；強(qiáng)調(diào)抗震分析中能力與需求作為核心要素； 抗震設(shè)計(jì)要求：能力必須大于需求！抗震設(shè)計(jì)要求：能力必須大于需求！2. 城市橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 1998年年 Fenves等關(guān)于等關(guān)于R14/I5立交橋震害研究立交橋震害研究精細(xì)化模型精細(xì)化模型2. 城市橋梁抗震研究城市橋梁抗震研究 抗震分析技術(shù)：多模型、多平臺(tái)、多尺度抗震分析

10、技術(shù)：多模型、多平臺(tái)、多尺度抗震能力抗震能力地震需求地震需求抗震性能或破壞機(jī)理抗震性能或破壞機(jī)理3.3. NJUT已開(kāi)展的部分工作已開(kāi)展的部分工作1. 埋地管線原位原型斷層模擬實(shí)驗(yàn)埋地管線原位原型斷層模擬實(shí)驗(yàn)1. 埋地管線原位原型斷層模擬實(shí)驗(yàn)埋地管線原位原型斷層模擬實(shí)驗(yàn)2. 近場(chǎng)波動(dòng)數(shù)值模擬高精度方法近場(chǎng)波動(dòng)數(shù)值模擬高精度方法0204060801000.00.10.20.30.40.50204060801000.00.10.20.30.40.50204060801000.00.10.20.30.40.50204060801000.00.10.20.30.40.5 analytical SPEM

11、,DQEM analytical SPEM,DQEM analytical SPEM,DQEMu/mx/m analytical SPEM,DQEMx/mu/mx/mu/mx/mu/m2. 近場(chǎng)波動(dòng)數(shù)值模擬高精度方法近場(chǎng)波動(dòng)數(shù)值模擬高精度方法精度計(jì)算量對(duì)比空間波數(shù)（1）(0.4,0.01)- (0.4,0.02)-(2,5;0.1;4)(2,5;0.1;3)(2,4;0.1;4)(2,4;0.1;3)05101520253035400.476%0.476%0.163%0.151%0.484%0.483%t/sdifferent method and parameter(0.4,0.01)- (

12、0.4,0.02)-(2,5;0.1;4)(2,5;0.1;3)(2,4;0.1;4)(2,4;0.1;3)05101520253035400.420%0.409%0.274%0.250%0.484%0.483%t/sdifferent method and parameterLegendre譜元Chebyshev譜元3. 城市橋梁地震安全性研究城市橋梁地震安全性研究 雙脊骨空間有限元模型雙脊骨空間有限元模型 兩根獨(dú)立的脊骨兩根獨(dú)立的脊骨+脊骨之間的橫向連接脊骨之間的橫向連接l橫向連接與兩根脊骨剛接：兩根脊骨在平面內(nèi)的振動(dòng)是同步橫向連接與兩根脊骨剛接：兩根脊骨在平面內(nèi)的振動(dòng)是同步的，而在平面外的振動(dòng)可以是同步的，也可以不是同步的?？傻?，而在平面外的振動(dòng)可以是同步的，也可以不是同步的?？梢悦枋鱿淞旱呐まD(zhuǎn)形態(tài)，而分段直梁模型無(wú)法模擬。以描述箱梁的扭轉(zhuǎn)形態(tài)，而分段直梁模型無(wú)法模擬。l質(zhì)量均勻分布到兩根脊骨上，橫向連接無(wú)質(zhì)量，相對(duì)于分段質(zhì)量均勻分布到兩根脊骨上，橫向連接無(wú)質(zhì)量，相對(duì)于分段直梁模型，具有質(zhì)量在橫向的空間分布特征。直梁模型，具有質(zhì)量在橫向的空間分布特征。 實(shí)際曲線箱梁與雙脊骨實(shí)際