生命线地震工程的若干研究进展及NJUT发展方向- 汶川地震中

1、2010年度土木工程学院学术报告会，年度土木工程学院学术报告会，2010-12-181.1. 生命线地震工程研究的基本问题生命线地震工程研究的基本问题南水北调南水北调西气东输西气东输三峡水利三峡水利青藏铁路青藏铁路川气东送川气东送1971年，美国San Fernando地震中旧金山市基础设施遭受重创，震后由Charles Martin Duke领导的研究小组首先提出了生命线地震工程(Lifeline Earthquake Engineering)的概念；1974年，美国土木工程师学会(ASCE)成立了生命线地震工程技术委员会(TCLEE)；1977年，美国机械工程师学会(ASME)压力容器与压

2、力管道委员会成立了生命线地震工程专门学组(Task Force on Lifeline Earthquake Engineering)；1979年，第二届美国地震工程会议上发表6篇有关生命线地震工程研究的学术论文；1981年，国家地震局工程力学研究所成立第四研究室，专门从事生命线地震工程研究工作；1984年，第八届世界地震工程会议在日本举行，生命线地震工程首次被列为会议专题。 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. 以系统的形式存在并发挥功能以系统的形式存在并发挥功能系统性系统性 功能失效；功能失效； 元件、生命线子系统相互作用；元件、生命线子系统相互作用； 系统优化；系统优化；2. 需要覆盖广阔的地域需要覆盖广阔的地域复杂性复杂性 地震动空间相关性；地震动空间相关性； 危险环境无法回避；危险环境无法回避； 非非“抗抗”防灾理念；防灾理念；3. 研究对象的主要物理特征差异大研究对象的主要物理特征差异大多样性多样性 环境作用复杂：断层、液化、滑坡、震陷。环境作用复杂：

4、断层、液化、滑坡、震陷。 生命线结构形式多样；生命线结构形式多样；Electric powerGas and liquid fuelsTelecommunicationsTransportationWaste disposalWater supplyLevees and floodwalls2.2. 生命线地震工程研究的若干进展生命线地震工程研究的若干进展1. 穿越断层埋地管线抗震研究穿越断层埋地管线抗震研究活动断层区钢制管道破坏情况 跨越活动断层区钢管截面大变形（1999年台湾集集地震） 1. 穿越断层埋地管线抗震研究穿越断层埋地管线抗震研究1. 穿越断层埋地管线抗震研究穿越断层埋地管线抗震

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模型模型壳模型壳模型下一步？下一步？几种分析计算模型1. 穿越断层埋地管线抗震研究穿越断层埋地管线抗震研究管-土系统分析模型 2. 城市桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 桥梁震害示例桥梁震害示例 1971 1971年美国年美国San FernandoSan Fernando地震地震2. 城市桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 桥梁震害示例桥梁震害示例 1994 1994年美国年美国NorthridgeNorthridge地震地震2. 城市

6、桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 桥梁震害示例桥梁震害示例 1995 1995年日本年日本KobeKobe地震地震2. 城市桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 桥梁震害示例桥梁震害示例 1999 1999年中国台湾集集地震年中国台湾集集地震2. 城市桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 桥梁震害示例桥梁震害示例 2008 2008年中国汶川地震年中国汶川地震2. 城市桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 城市桥梁有什么不同的特性？城市桥梁有什么不同的特性？人口和财富高度人口和财富高度集中集中间接损失和社会间接损失和社会影响难以估量影响难以估量曲线梁桥曲线梁桥非规则梁桥非规则梁桥社会功能方面社会功能方面结构体系方面结构体

7、系方面城市桥梁城市桥梁弯扭耦合反应弯扭耦合反应下部结构反应下部结构反应2. 城市桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 城市桥梁防震减灾的薄弱环节和核心问题是什么？城市桥梁防震减灾的薄弱环节和核心问题是什么？薄弱环节一：震前评估技术薄弱环节一：震前评估技术震害有没有发生？震害有没有发生？震害的程度？震害的程度？震害的部位和影响范围？震害的部位和影响范围？薄弱环节二：失效控制技术薄弱环节二：失效控制技术减轻下部结构破坏的手段减轻下部结构破坏的手段防止上部结构落梁的措施防止上部结构落梁的措施控制基础发生破坏的方法控制基础发生破坏的方法核心问题：桥梁结构非线性地震反应分析的准确性！核心问题：桥梁结构非线性地震

8、反应分析的准确性！2. 城市桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 美国：始于美国：始于19711971年年San FernandoSan Fernando地震后地震后 振动台试验；振动台试验； 数值分析：数值分析： NEABSNEABS（8080年代初期）年代初期）； 主要认识主要认识 桥墩的弹塑性；桥墩的弹塑性； 上部结构曲梁单元（以直代曲）；上部结构曲梁单元（以直代曲）； 支座、伸缩缝等非线性效应（摩擦、碰撞）；支座、伸缩缝等非线性效应（摩擦、碰撞）；2. 城市桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 1997年年Desroches利用强震观测数据研究行波效应对曲线利用强震观测数据研究行波效应对曲线 梁桥的影

9、响，强调多点输入重要性梁桥的影响，强调多点输入重要性 I-10/215桥梁桥梁1992年年Big Bear 地震地震2. 城市桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 1998年年 Fenves等关于等关于R14/I5立交桥震害研究立交桥震害研究 强调抗震分析中能力与需求作为核心要素；强调抗震分析中能力与需求作为核心要素； 抗震设计要求：能力必须大于需求！抗震设计要求：能力必须大于需求！2. 城市桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 1998年年 Fenves等关于等关于R14/I5立交桥震害研究立交桥震害研究精细化模型精细化模型2. 城市桥梁抗震研究城市桥梁抗震研究 抗震分析技术：多模型、多平台、多尺度抗震分析

10、技术：多模型、多平台、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坏机理抗震性能或破坏机理3.3. NJUT已开展的部分工作已开展的部分工作1. 埋地管线原位原型断层模拟实验埋地管线原位原型断层模拟实验1. 埋地管线原位原型断层模拟实验埋地管线原位原型断层模拟实验2. 近场波动数值模拟高精度方法近场波动数值模拟高精度方法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. 近场波动数值模拟高精度方法近场波动数值模拟高精度方法精度计算量对比空间波数（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谱元Chebyshev谱元3. 城市桥梁地震安全性研究城市桥梁地震安全性研究 双脊骨空间有限元模型双脊骨空间有限元模型 两根独立的脊骨两根独立的脊骨+脊骨之间的横向连接脊骨之间的横向连接l横向连接与两根脊骨刚接：两根脊骨在平面内的振动是同步横向连接与两根脊骨刚接：两根脊骨在平面内的振动是同步的，而在平面外的振动可以是同步的，也可以不是同步的。可的，而在平面外的振动可以是同步的，也可以不是同步的。可以描述箱梁的扭转形态，而分段直梁模型无法模拟。以描述箱梁的扭转形态，而分段直梁模型无法模拟。l质量均匀分布到两根脊骨上，横向连接无质量，相对于分段质量均匀分布到两根脊骨上，横向连接无质量，相对于分段直梁模型，具有质量在横向的空间分布特征。直梁模型，具有质量在横向的空间分布特征。 实际曲线箱梁与双脊骨实际