考虑土-结相互作用的Eureka桥梁地震响应分析

桥梁结构的振动特性受场地条件及土-结相互作用影响显著，为提高桥梁结构的抗震性能、减少因结构破坏产生的经济损失，在桥梁工程抗震设计中需充分考虑场地效应及桩-土-桥体系的相互作用。随着强震观测数据日益丰富，数字信号处理、统计分析结合有限元模型优化技术的参数识别，大大提高了分析不同强度地震作用下的桥梁结构地震响应分析结果的可靠性。

为研究土-结相互作用对桥梁结构破坏程度的影响，本研究开展了考虑场地土体非线性以及土-结相互作用等复杂效应下桥梁结构地震反应的分析。以加州典型桩-土-桥梁结构体系为例，利用美国太平洋地震研究中心大型开源有限元软件的模型优化技术，结合桥梁结构强震动观测台阵的实测数据，验证、分析桩基上布有强震仪的E-7号桥墩模型（图 1）以及桥梁-桩-土体系相互作用分析模型（图 2）的可靠性，探索强震动作用下桥梁-桩-土动力相互作用机制。

  图1 E-7号桥墩立面图及有限元模型

图 2  Eureka大桥强震仪布设图及有限元模型

本研究的创新体现在如下几个方面：1. 基于结构台阵强震动观测数据，采用数字信号处理系统识别手段，在时域以及频域内对不同强度地震作用下结构地震响应重要参数进行识别提取；2. 提出基于强震动观测数据的土-结相互作用重要参数的识别方法，实现对桩-土-桥梁结构体系模型更加准确地描述（图 3）；3. 对比优化后的OpenSees有限元模型参数，评价数字信号处理系统识别结果的准确率，提高了桩-土-桥梁结构体系动力响应预测的精度。

图 3. 基于OpenSees-SNOPT优化技术的桥墩墩底弹簧参数的校正

随着我国重点城市群、重要经济带建设的迅速发展与工程抗震设防要求的日益提高，在进行桥梁结构地震反应分析时，需最大限度的减小因桩-土-桥梁结构模型的不确定性引起的对结构地震响应评估的偏差。目前，日益丰富的钻井台阵以及桥梁结构台阵强震观测数据，为合理、准确建立桩-土-桥梁体系计算模型，系统分析、评价桩-土相互作用对桥梁结构的非线性地震响应的影响提供了有效的手段。

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知识点：桥梁地震响应分析