近海重大交通工程地震破坏机理及全寿命性能设计与控制

项目名称：近海重大交通工程地震破坏机理及全寿命性能设计与控制首席科学家：杜修力北京工业大学起止年限：2011.11-2016.8依托部门：广东省科技厅中国地震局一、关键科学问题及研究内容（一）拟解决的关键科学问题本项申请以我国沿海已建、在建和规划建设的近海重大交通工程为研究对象，针对海域地震特殊的地震地质环境，围绕近海重大交通工程场地强地震动作用的规律和场地变形特征，分析地震、波浪和海流等共同作用下海水-海洋工程地质体-结构相互作用以及结构地震损伤破坏演化过程模拟等关键问题，通过对场地强地震动场、地震变形、局部破坏和失效以及近海重大交通工程结构地震破坏的模拟，结构抗震设计理论、抗震性能评价方法以及减震控制原理等应用基础理论与方法等问题的研究，揭示近海重大交通工程结构地震破坏机理，建立全寿命抗震性能评价与设计的理论与方法以及结构损伤非线性控制理论与方法，为我国近海重大交通工程建设提供科学理论和依据。本项目要解决的关键问题是：我国陆地地震、近海域板内地震和板缘地震环境下的近海工程场地强地震动工程破坏性作用特征及空间分布规律，复杂近海工程场地的地震效应，近海重大交通工程结构的地震破坏机理、抗震性能、失效模式与减震控制等问题，具体的关键科学问题及其内涵归纳如下：关键科学问题1：海域复杂地震地质环境下近海工程场地地震动特性我国海域强震多分布于近海区，包括渤海和南黄海的强震集中且频度高的区域，泉州、南澳和琼州的强度高但频度低的区域。邻近海岸陆地地震、近海域板内和板缘地震形成对近海工程场地影响的复杂地震环境。滨海断裂带控制着海峡的地震活动和构造活动，也控制着海峡的形成和演化。海峡地貌包括水下岸坡、谷坡和谷底，与海洋软土层和饱水裂隙岩体共同形成了复杂的近海场地工程地质环境。因此，复杂的地震地质和工程地质环境成为控制近海工程场地地震动特性的关键因素。同时，海洋软土层与海水的相互作用也是一个重要的影响因素。关键科学问题内涵：通过对陆地地震、近海域板内地震和板缘地震产生的地震动尤其是地震动中、低频成份特点与衰减规律的研究，实现考虑不同地震环境的近海场地的地震动模拟；通过考虑地震作用下海水－海洋工程场地非线性动力相互作用效应，揭示深海沟地形、深厚海洋软土层、斜坡土层对工程场地地震动的影响规律；研究近海工程场地海洋土动力特性，获得其对地基液化、震陷、失稳等影响以及地震断层错动引起的海底场地大变形和破裂规律的认识。关键科学问题2：地震、波浪和海流等共同作用下多介质体动力相互作用在强地震作用下，承载近海重大交通工程结构的海洋工程地质体与近海重大交通工程结构间存在大陆工程地质体与大陆重大交通工程结构间同样的动力相互作用问题，鉴于海洋工程地质体的复杂特性，其挑战性更为突出。特别是深厚海洋软土（如初步勘查表明琼州海峡交通工程建设中可能面临300米以上的深厚海洋软土）中以及深厚海洋软土与海底岩体横向夹杂（近海交通工程通常是长距离线型结构，难以避免这种情况出现）中的近海重大交通工程建设中的抗震安全分析，需要解决的海洋工程地质体-结构间的非线性动力相互作用就尤其复杂。由于组成海洋工程地质体的海洋土为多孔多相介质，因此，力学上这是一个多孔多相介质-固体介质间的非线性动力相互作用问题。其次，位于海水之中的近海重大交通工程结构，由于浅层海面随机波浪和深层环流与强地震的共同作用，结构动力反应受绕流效应的影响显著。这种地震、波浪和海流等共同作用下的流-固动力相互作用效应也是近海重大交通工程结构抗震安全分析需要重点研究的关键问题。在这一流-固动力相互作用效应研究中，海洋工程地质体可作为海水中波动传播的一种能量耗散边界条件提出，但实际上海洋工程地质体-海水间是存在复杂的动力相互作用的（能量耗散边界条件不能反映海洋工程地质体的惯性影响），能量耗散边界条件虽然物理概念明确、模型简单，但存在参数难以确定的困难。因此，将海水-海洋工程地质体-结构作为一个整体模型，考虑地震、波浪和海流共同作用下的动力相互作用是非常必要的。关键科学问题内涵：通过地震、波浪和海流等共同作用下的流-固-多孔多相介质非线性动力相互作用模型的建立和模拟，揭示其对近海重大交通工程结构地震反应和破坏机理的影响规律。关键科学问题3：近海重大交通工程结构地震损伤破坏演化过程模拟抗震设计理论从安全设计理论向性能设计理论方向发展是国际上工程结构抗震设计理论发展的方向，由于地震作用具有极大的不确定性，设计理论与方法蕴含一定的风险，从防灾减灾的角度真正认识近海重大交通工程结构的地震破坏机理以及抗震性能是极其重要的，这一点对于强震风险极高的我国近海重大交通工程建设尤应予以重视。强地震作用下近海重大交通工程结构地震破坏机理、失效模式分析与抗震性能评价，涉及到结构以及海洋工程地质体地震损伤破坏演化过程模型的建立和数值、物理模拟问题。地震、波浪和海流等共同作用下海水-海洋工程地质体-结构的动力相互作用影响，地震动作用特性和场地空间地震动的不均匀作用及其输入方式，海洋环境下海洋工程地质体和近海重大交通工程结构材料、构件的非线性力学行为，海洋工程地质体-结构界面的接触非线性效应，海洋工程地质体的稳定性等，是近海重大交通工程结构损伤破坏演化过程模型建立必须考虑的关键因素。此外，近海重大交通工程结构面临复杂、恶劣的海蚀自然环境，海蚀与海浪、海风、自重等荷载的耦合作用将导致结构性能逐渐劣化，将近海重大交通工程结构在海蚀环境下的长期力学性能演化与全寿命抗震性能评价两个完全不同时间尺度的科学问题相结合也是一项极有实用背景的科学问题。关键科学问题内涵：综合考虑地震、波浪和海流等共同作用下海水-海洋工程地质体-结构的非线性动力相互作用影响、场地空间地震动的不均匀作用、海洋工程地质体的局部稳定性、海蚀效应等，建立不同服役龄期近海重大交通工程结构地震损伤破坏演化过程模型及其模拟方法，研究强地震作用下各种因素对近海重大交通工程结构损伤破坏演化的规律。该科学问题的解决，将为近海重大交通工程结构地震破坏机理的揭示、地震失效模式的分析以及全寿命抗震性能的评价，实现通过对能量转移、吸收、耗散以及对失效模式的优化控制等技术建立结构损伤非线性控制理论，奠定科学的理论和方法基础。（二）主要研究内容围绕上述三个关键科学问题开展如下四个方面的研究：1、近海域强地震动场模拟及场地效应研究陆地地震、近海域板内地震和板缘地震产生的场地地震动尤其是地震动中、低频成份的特点与衰减规律；提出考虑不同地震环境的近海场地的地震动模拟模型和方法；考虑地震作用下海水-海洋工程地质体非线性动力相互作用效应，研究深海沟地形、深厚软土层、斜坡土层对工程场地的地震动的影响；探讨近海工程场地海洋土动力特性及其对地基液化、震陷、侧移、失稳等影响；研究地震断层错动引起的海底场地大变形和破裂问题。2、近海重大交通工程结构地震破坏机理与失效模式基于多尺度理论与方法，研究海蚀环境、波浪、海流和地震作用下海洋工程地质体、近海交通工程结构材料、构件以及海洋工程地质体-结构接触界面的静动力学性质与本构关系；结合跨海桥梁、海底隧道和人工岛等近海重大交通工程的具体结构形式和不同的地震破坏模式特征，考虑场地的空间不均匀地震作用、强地震与浅层海面随机波浪和深层环流的共同作用引起的对结构的绕流效应影响、海洋工程地质体与结构的相互作用、海洋工程地质体的稳定性影响、海蚀效应等，建立不同服役龄期近海重大交通工程结构地震损伤破坏演化过程分析模型和相应的模拟方法，研究近海重大交通工程结构在强地震作用下的地震变形、应力和加速度反应以及损伤局部化特征和损伤破坏演化规律以及上述影响因素的效应规律；研究近海重大交通工程结构的地震破坏机理和失效破坏模式。3、近海重大交通工程结构全寿命抗震性能评价与设计分析陆地和跨越江河的重大交通工程结构抗震设防水准的研究成果、工程实践，确定面向性能抗震设计理论的近海重大交通工程结构全寿命抗震设防水准；研究近海重大交通工程结构全寿命抗震性能的定量描述指标体系及其确定方法，以及地震破坏等级及其评定方法，提出近海重大交通工程结构全寿命抗震安全性的性能指标；考虑海洋场地环境、近海工程场地地震动作用特性及不同荷载分布模式等特点，建立近海重大交通工程结构全寿命抗震性能评价方法；研究跨海桥梁、海底隧道和人工岛三类结构及各类结构内部抗震性能的差异性，建立近海重大交通工程结构的全寿命协同抗震设计方法；基于近海重大交通工程结构抗震风险分析，建立近海重大交通工程结构全寿命性能抗震设计的多目标综合决策方法。4、近海重大交通工程结构减震控制理论与方法研究海蚀环境下减震控制装置力学性能劣化规律，建立相应的力学模型，研制新型的耐腐蚀减震控制装置；研究地震、波浪和海流等共同作用下近海重大交通工程结构考虑地震动多点、多维效应等因素的减震控制原理，建立其减震控制体系与适应不同动力环境作用条件下的控制理论与方法；揭示近海工程复杂场地地震效应对近海重大交通工程结构减震控制体系力学性能的影响规律，建立相应的减震控制方法；研究近海重大交通工程减震控制结构体系的非线性损伤控制方法，构建基于全寿命性能目标的结构减震控制理论与方法；研究近海重大交通工程结构预先设定合理失效模式与次序以及利用控制元件控制失效模式与次序的减震控制设计方法，构建近海重大交通工程地震失效模式控制的理论与方法体系。二、预期目标（一）总体目标针对促进我国沿海地区社会、经济发展以及保障近海重大交通工程地震安全的重大战略需求，以跨海桥梁、海底隧道和人工岛等近海重大交通工程结构为研究对象，系统开展近海重大交通工程地震破坏与控制研究。结合近海地震复杂地震地质环境和海洋工程地质条件，建立确定近海重大交通工程强震破坏性作用的理论和方法；基于强地震作用下各种因素对近海重大交通工程损伤破坏演化规律影响的研究，揭示近海重大交通工程的地震破坏机理、失效模式、抗震能力，建立近海重大交通工程全寿命抗震性能评价及设计的理论体系和方法；通过能量转移、吸收、耗散以及对失效模式的控制等减小地震作用效应的技术措施的原理和方法的研究，建立近海重大交通工程结构地震失效模式控制理论体系。为我国近海重大交通工程建设和运营的地震安全风险评价与控制提供科学支撑，促进相关学科基础理论的发展。（二）五年预期目标1、分析比较陆地地震、近海域板内地震和板缘地震的地震动衰减关系，揭示不同地震的破坏性作用特点与规律，建立考虑不同地震环境的空间大尺度近海工程场地的地震动作用场的模拟理论与方法；通过试验和理论方法，研究海洋土静、动力特性及其力学行为规律，并结合地震波动理论和数值波动模拟技术，研究上覆海水条件下深海沟地形、深厚海床土层、斜坡土层等海洋工程地质体条件对工程场地地震动作用场影响的理论分析模型和评价方法，揭示其特点与规律；基于多尺度、多场耦合理论与方法和变形局部化特征的描述，揭示近海工程场地地震局部失稳及整体破坏的特征和机理，研究地震断层错动引起的海底场地大变形和破裂问题，发展和完善近海工程场地地震失稳评价理论和地震地质灾害分析理论。2、研究地震、波浪和海流等共同作用下海洋工程地质体内多场耦合作用的机理，揭示其特性和规律以及非线性波动在典型海洋工程场地中的传播规律；建立海水－海洋工程地质体－结构在地震、波浪和海流等共同作用下的非线性动力相互作用模型及分析方法，揭示海水绕流效应、深厚软土和海沟地形等典型海洋工程地质场地条件等对水中结构动力反应的影响规律，以及海水动力效应、深厚软土和海沟地形等典型海洋工程场地条件等对不同形式海底隧道结构动力反应的影响规律；基于海床吸能边界模型、海水－桥梁下部结构间和桥桩－海床地基间的时域集中参数阻抗模型，建立考虑海水－海洋工程地质体－结构动力相互作用效应的跨海桥梁结构非线性地震反应的子结构分析方法。3、通过试验和理论分析，建立饱水岩石、混凝土材料与构件和海洋工程地质体－结构接触界面的静动力学行为模型，揭示海蚀环境－复杂受力条件耦合作用下混凝土材料和构件随时间的性能劣化规律；结合跨海桥梁、海底隧道和人工岛等近海重大交通工程的具体结构形式和不同的地震破坏模式特征，考虑海水－海洋工程地质体－结构在地震、波浪和海流