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Word文档格式.docx

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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。

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。

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、波浪和海流等共同作用下的非线性动力相互作用、场地的空间不均匀地震作用、海洋工程地质体的稳定性影响、海蚀环境引起的混凝土材料和构件性能劣化对结构抗震性能影响等因素，建立不同龄期的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；

研究不同龄期的近海重大交通工程结构地震损伤破坏演化规律，揭示其地震破坏机理和失效破坏模式。

4、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、工程实践以及近海重大交通工程结构的地震破坏形态与抗震性能，研究跨海桥梁、海底隧道和人工岛等不同结构子系统组成的复杂近海重大交通工程结构系统的全寿命抗震设计设防水准，建立协调一致的适合复杂近海重大交通工程系统的结构抗震体系、全寿命抗震性能评价指标及方法；

综合考虑社会、经济、环境、技术性能和结构功能等要求，建立基于风险分析的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和抗震性能设计理论与方法。

5、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，研发适合宽频带控制的新型减震控制装置；

研究地震、波浪和海流等共同作用下结构减震控制原理，揭示近海工程场地地震效应对结构减震控制的影响规律，提出考虑近海工程场地地震效应影响的结构减震控制方法；

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一体化优化策略，建立基于全寿命性能目标的结构减震控制体系设计方法；

研究利用控制元件控制近海重大交通工程结构地震失效模式的原理，发展和完善工程结构地震失效模式控制理论体系。

在国内外核心期刊上发表论文200篇以上，其中在国际高水平学术期刊上发表有重要影响的学术论文30篇以上，出版学术专著6部，申请国家发明专利15项、软件著作权5项。

在近海重大交通工程地震损伤破坏演化规律、破坏机理、失效模式、控制理论等方面取得一批有国际影响的成果。

凝聚和培养一批国内近海重大交通工程地震安全评价和控制的高水平研究队伍，以及有国际影响的优秀中青年科学家1-2名及1-2支国家级学术创新团队，建立和完善3-5个先进的近海重大交通工程研究平台，为我国近海域资源开发、社会经济发展和相关学科的持续技术进步奠定坚实的基础。

三、研究方案

（一）学术思路

本项目涉及土木工程学、地震工程学、地震学、海洋工程学、交通工程学、水利工程学、材料学、结构力学、岩土（体）力学、流体力学、波动力学、多孔介质和多场耦合理论、控制理论等多个学科分支，通过多学科交叉与融合研究，认识和揭示近海重大交通工程地震破坏的机理与规律及失效模式，建立近海重大交通工程地震安全评价及减震控制理论与方法，发展和完善保障近海重大交通工程地震安全性的科学体系。

本项目的学术思路是以我国近海重大交通工程建设和运营面临的地震安全突出问题为背景，从其所处环境的特殊性中提出急需解决的关键技术难题，进一步凝练出攻克这些关键技术难题所必须解决的核心科学和应用基础问题。

我国近海重大交通工程地震安全问题的特殊性主要体现在如下六个方面：

（1）近海域板缘地震的强地震动特征与我国陆地地震相比有较大的差异，目前缺乏对它的应有认识。

（2）强地震与浅层海面随机波浪和深层环流的耦合作用对近海重大交通工程结构有显著的绕流影响，强地震引起的海啸对近海交通工程结构的作用效应，这些是内陆地区重大交通工程抗震安全评价中没有碰到的特殊问题。

（3）近海重大交通工程位于海洋大陆架边缘，所处的海洋工程地质环境十分复杂，具有高水压、非均匀、非连续、多场耦合的特征，海浪和环流影响也使得其力学特性更为复杂，尤其是深海沟、深厚软土层的存在，增加了对近海工程场地地震动、地基变形和稳定评价的难度。

（4）近海重大交通工程采用长大跨海桥梁和海底隧道的结构形式，尺度可达数十甚至上百公里，地震动行波和场地非均匀效应引起的场地的地震动空间差动效应是近海重大交通工程结构抗震分析面临的突出难点课题。

（5）近海重大交通工程受到了海洋动力环境和地震的共同作用，加之其超长的特点导致其地震破坏机理、失效模式十分复杂，因此近海重大交通工程在各种复杂环境因素下的减震控制原理具有特殊性。

（6）相对于陆地上的结构而言，近海重大交通工程面临着更加复杂、恶劣的海蚀自然环境，耐久性因素导致的结构抗震性能劣化问题尤其突出。

本项目研究紧扣上述特殊问题，发挥工程科学、材料科学、地球科学、数理科学和信息科学中的多学科交叉、融合的优势，结合实际工程背景，突出机理与机制研究、理论与方法创新、物理与数学模型建立等基础性问题，以凝练出的三个关键科学问题为主线，综合运用各学科已有的观测资料、理论和方法成果、实验技术平台以及国际上的先进科技成果积累和技术平台开展前沿和创新基础研究。

项目的学术思路如图4所示。

结合近海重大交通工程地震安全问题的特殊性

海域地震的活动特点、强地震动特征

地震、波浪和海流共同作用下的绕流效应

复杂的海洋工程

地质环境效应

长大结构地震动

空间差动效应

地震破坏机理、失效模式十分复杂

耐久性问题导致结构抗震性能劣化

我国近海重大交通工程建设和运营

面临的地震安全突出问题

突出基础研究凝练关键科学问题

与模拟

理方法

地球科学

数理科学

工程科学

材料科学

信息科学

交叉与融合

结合实际工程背景、已有观测资料、理论和方法成果、实验技术平台等

机理与机制研究

理论与方法创新

物理与数学模型建立

图4项目的学术思路

（二）技术途径

如上所述，近海重大交通工程地震安全问题有其十分突出的特殊性，需要在系列基础科学问题上取得突破，从而推动关键技术难题的解决。

本项研究以凝练的三个待解决的关键科学问题为主要研究对象，目标明确，方便形成针对性强的技术途径。

总的技术思路是：

在地震、波浪、海流和海蚀等复杂环境作用以及海洋工程地质条件方面，依托国内外已有的观测和勘察成果，适当补充必要的现场观测和勘察工作；

基于地震学和海洋工程学已有的理论成果，结合实际观测资料，建立各种经验或理论环境作用模型；

基于多尺度、损伤局部化、多场耦合等理论，采用物理模型试验和数值模型模拟相结合的手段，针对海洋工作环境，开展海洋土、岩石、混凝土等材料的力学行为特性研究；

通过对不同近海重大交通工程结构形式特点、荷载作用方式的分析，采用试验与宏、细观数值方法研究典型构件的力学行为特性及模拟理论与方法；

通过从考虑单因素到复杂多因素，即由简而繁的循序渐进过程，采用多学科交叉以及理论分析和模型试验相结合的方法，研究各种耦合模型和近海重大交通工程系统损伤演化模型的建模理论和方法；

采用并行算法和高性能计算平台完成建立的各种大规模、复杂的理论数值模型的计算以及在此基础上的参数影响、机理分析。

项目技术思路如图6所示。

满足国家需求

为近海重大交通工程安全建设

和运营提供科学依据

应用多尺度、损伤局部化、多场耦合等理论与方法

1.海洋土、岩石、混凝土

材料力学特性与本构模型

2.海洋工程场地非线性

地震响应与稳定性

物理模型试验

数值模型模拟

应用地震学、海洋工程学等理论

结合实测资料

通过理论分析

利用既有经验

1.地震作用模型

2.波浪作用模型

3.海流作用模型

4.海蚀作用模型

立足科学前沿

揭示科学现象与规律

评价抗震性能

提升关键技术

完善抗震设计理论与方法

发展减震控制理论与方法

近海重大交通工程系统损伤演化模型的建模理论和方法

各种耦合模型的

建模理论和方法

高效、高性能计算方法与平台

图6项目的技术思路

针对三个关键科学问题的具体研究技术方案是：

对于第一个关键科学问题：

该问题的难点在近海域板内地震和板缘地震的地震动衰减关系确定和海底高围压软土动力特性试验和本构模型的建立等方面。

利用最近几十年获得的强震观测数据和活断层探测取得的震源模型参数，建立基于震源机制的地震波传播数值计算模型，借助数值波动计算技术，综合模拟不同地震环境的近海工程场地地震动场。

进一步结合强地震动观测记录特别是日本、美国和我国台湾地区获得的板缘地震强地震动记录，研究陆地地震、近海域板内地震及板缘地震等不同类型地震的地震动衰减特征与规律。

针对海洋土的工作环境，利用动三轴、共振柱和离心机振动台等土工试验技术，结合多尺度、损伤局部化、多场耦合等先进的理论以及有限元数值模拟手段，多层次研究海洋土的力学特性和变形、应变局部化与失稳等问题。

对于第二个关键科学问题：

该问题的难点在多介质、多场耦合作用的机理和理论模型建立及地震、波浪和海流等共同作用的模型建立两个方面。

由于海流与结构相互作用的绕流效应主要取决于流速、流体的物理特性、雷诺数和结构的形状特征，惯性效应这一动力问题一般可被忽略，因此，研究中可将其视为地震、波浪耦合作用分析时的一种静力初始条件来考虑。

海流对海洋土的作用主要是通过改变海洋土的渗流特性来影响海洋土的力学特性的，研究思路将基于试验和理论分析建立高水压条件下由海床软土、饱水裂隙岩体组成的非均匀、非线性海洋工程地质体的力学模型，并采用多场耦合的分析方法考虑海流作用的影响。

针对近海重大交通工程中的典型桥梁下部结构形式，采用流体动力学理论模型分别研究波浪、地震作用下绕流引起的结构所受动水压力的特点和规律和基于时间局部化技术建立桥梁结构非线性分析的时域集中参数阻抗模型，并采用水下振动台、造波试验池开展必要的物理模型试验研究。

在此基础上，建立地震、波浪和海流等共同作用下海水－海洋工程地质体－结构动力相互作用的模型，并采用时域显式算法建立高效数值模拟方法进行求解，探讨近海非线性表面波、流体粘性、可压缩性以及海床土吸能边界条件等的影响。

在海水－海洋工程地质体－结构动力相互作用模型求解中，无限域模型的有限化处理是一个难点，特别是这一相互作用模型中流体无限域辐射是一种导波，处理起来就更困难，目前国际上尚无很好的解决方案，本项目拟采用积分核压缩的时域局部化技术建立高精度的时域局部人工边界模型来解决这一难题。

对于第三个关键科学问题：

该问题的难点在近海重大交通工程地震损伤破坏的模拟模型建立和求解两个方面。

基于上述两个科学问题研究的成果，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破坏模式特征，基于非线性连续介质力学和结构力学的理论和方法，考虑多介质体动力相互作用、地震动空间不均匀性与多维作用、耗能减震元件、构件碰撞和岩土－结构界面接触非线性行为等问题，建立地震、波浪和海流等共同作用下近海重大交通工程地震损伤破坏演化过程的模拟模型。

关于上述问题，国内外均有大量的研究积累可供参考。

本项研究的重点在于集成这些研究成果，同时对近海重大交通工程抗震出现的一些特殊问题（如：

地震、波浪和海流等共同作用下多介质体动力相互作用效应，海蚀对材料、构件长期力学特性的影响，高水压对混凝土、岩土材料力学特性的影响，特殊的结构形式等）展开深入研究，并考虑海水－海洋工程地质体－结构动力相互作用效应，建立起近海重大交通工程地震损伤破坏的模拟模型。

然后，通过高效并行算法、高性能计算平台等计算技术进行大量的数值模拟试验，揭示近海重大交通工程产生破坏的机理，分析损伤局部化形成、破坏扩展直至结构失效过程的规律以及失效模式。

在上述三个关键科学问题的研究成果基础上，针对近海重大交通工程结构的不同形式（桥梁、隧道和人工岛）和破坏模式特征（桥梁结构地震破坏模式主要有地基失效或变性形过大、地面差动效应引起落梁等，惯性力引起桥墩、梁间碰撞等损坏形式；

隧道结构地震破坏模式则主要受工程场地地质构造特征和岩土介质地震形变场的影响；

人工岛的地震破坏模式主要是震陷、液化、大变形等引起的失稳以及与桥、隧联接处的协调问题。

），采用不同的分析模型和计算方法研究其地震非线性反应，在结构层面和构件层面上研究其地震破坏的形式及合理的定量描述参数、分级准则、抗震性能等，并建立