[航空航天]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CB013600G.doc

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海域复杂地震地质环境下近海工程场地地震动特性地震、波浪和海流等共同作用下多介质体动力相互作用与模拟近海重大交通工程结构地震损伤破坏演化过程模拟理方法与模拟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，并建立定量的指标参数的计算与评价方法。采用概率分析和可靠度理论，研究近海重大交通工程结构抗震设防水准和建立基于全寿命抗震性能的设计方法；进一步，根据近海重大交通工程、海洋环境动荷载和地震作用各自的特点，利用多功能智能材料、人工智能技术、振动控制理论和人为设计薄弱环节等，采用试验和数值模拟等手段，分别针对桥、隧、人工岛结构形式和破坏模式特征，研究近海重大交通工程结构新型减震控制装置的技术原理和失效模式控制的理论，建立近海重大交通工程地震损伤控制的理论和方法，发展和完善工程结构减震控制理论体系。（三）创新点与特色与国内外同类研究和前期研究相比，本项目具有以下主要创新和特色：1、基于近海域板缘地震的活动特点、强地震动特征与陆地地震相比有较大差异的事实，结合近几十年大地震的强地震动记录分析和数值模拟计算，探讨不同类型地震的地震动衰减特征，并分别建立近海工程场地适用的陆地地震、近海域板内地震和板缘地震的地震动衰减关系；提出考虑陆地地震、近海域板内地震和板缘地震等不同地震环境的近海工程场地地震动场模拟方法。针对海洋土的工作环境（高围压，地震、波浪和海流等共同作用），利用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波动模拟手段，多层次研究海洋土的力学特性和变形、应变局部化与地震动局部场地效应等问题。2、海水海洋工程地质体结构动力耦合效应是影响近海重大交通工程结构地震反应的特殊重要因素，基于多介质、多场耦合理论，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非线性相互耦合模型及高效的数值模拟方法，掌握近海非线性表面波、流体粘性、可压缩性以及海床边界条件等的影响机理和规律；通过揭示海水典型海洋工程地质体的耦合作用特性和规律以及非线性波动在海水与典型近海工程场地间的传播规律，建立简化的海床吸能边界模型；基于积分核压缩技术建立反映海水-跨海桥梁下部结构耦合作用的时域集中参数阻抗模型，为跨海桥梁结构建立基于子结构模型的非线性地震反应分析方法提供基础；揭示地震、波浪和海流等共同作用下海水动力效应、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。3、针对海洋动力环境和高水压特点，结合多尺度、多场耦合等理论，采用试验和数值模拟方法，研究岩石、混凝土材料和构件的非线性力学特性并建立非线性力学行为模型；结合混凝土微结构理论，建立混凝土材料、构件在荷载状态、海蚀环境作用下的耦合分析模型，提出混凝土材料、构件微观损伤与宏观力学特性劣化间的表征关系及宏观力学特性的时变规律；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，提出地震、波浪和海流等共同作用下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的建模理论和方法及高效数值计算和模拟方法。4、揭示近海重大交通工程产生地震破坏的成灾机理，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；建立跨海桥梁、海底隧道和人工岛等近海重大交通工程结构地震破坏危险等级评价指标体系和分析理论，提出其抗震性能评价方法和基于全寿命抗震性能的设计理论与方法。5、提出同时考虑地震、波浪、海流和海蚀作用的近海重大交通工程结构减震控制装置力学性能的分析模型，研制新型耐腐蚀减震控制装置，提出柔性隧道的减震控制新方法；提出基于失效模式优化与控制的近海重大交通工程结构（桥、隧、人工岛）地震损伤控制理论与方法，构建近海重大交通工程结构减震控制理论体系。（四）课题设置本项目设置6个相对独立、但又彼此联系的课题：第1课题：近海工程场地强地震动场模拟及地震稳定性第2课题：地震、波浪和海流等共同作用下多介质体动力相互作用第3课题：近海重大交通工程结构地震破坏机理与失效模式第4课题：近海重大交通工程结构抗震性能劣化机理与时变规律第5课题：近海重大交通工程结构全寿命抗震性能评价与设计第6课题：近海重大交通工程结构减震控制理论与方法第一课题研究目标针对第一个关键科学问题提出，为其他课题研究提供地震作用模型，是本项目研究的基础性工作。重点揭示陆地地震、近海域板内地震和板缘地震的强地震动破坏性作用特点与规律及其异同；研究深海沟地形、深厚软土层和斜坡土层等复杂海洋工程地质环境对工程场地地震动以及稳定性影响的特点与规律。第二课题研究目标针对第二个关键科学问题提出，重点为实现第三、第四课题目标提供重要的建模理论与方法，也为第五、第六课题研究奠定基础，是本项目研究的重点。重点揭示地震、波浪和海流等共同作用下海水海洋工程地质体结构这一多介质体动力系统相互作用的机理和规律，研究建模理论与方法。 第三、第四课题研究目标针对第三个关键科学问题提出，是本项目研究的核心，为揭示近海重大交通工程结构地震破坏机理、分析地震失效模式以及评价抗震性能提供理论和方法，也是第五、第六课题研究的基础。重点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，揭示强地震作用下各种因素对不同服役龄期近海重大交通工程结构损伤破坏演化过程影响的规律。第五、第六课题研究目标是搭建本项目核心研究成果与实用化拓展间的桥梁，其设置体现了工程学科的特色，为重要的应用基础性研究课题。重点分别是，建立跨海桥梁、海底隧道和人工岛等近海重大交通工程结构全寿命的抗震性能设计理论与方法，构建基于能量转移、吸收、耗散以及失效模式控制等减震控制技术的结构损伤非线性控制理论。上述六个课题以项目的总体目标为龙头，总体科学思路为主线，围绕关键科学问题和应用技术的基础性理论与方法，结合五年具体目标，从不同层面、不同角度开展研究工作，各课题间既有一定的独立性，又联系紧密，按照各自的特点，在研究内容上各有侧重，形成一个依次递进、互相关联的有机整体，保证了项目的科学性和系统性。围绕前述三个关键科学问题和四个方面研究内容，本项目拟设置六个课题，各课题设置及其之间的相互关系如图7所示。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2.地震、波浪和海流等共同作用下多介质体动力相互作用3.近海重大交通工程结构地震损伤破坏演化过程模拟应用基础理论与方法3. 近海重大交通工程结构全寿命抗震性能评价和设计4.近海重大交通工程结构减震控制理论与方法2.近海重大交通工程结构地震破坏机理与失效模式1.近海域强地震动场模拟及场地效应主要研究内容课题设置5.近海重大交通工程结构全寿命抗震性能评价与设计6.近海重大交通工程结构减震控制理论与方法1.近海工程场地强地震动场模拟及地震稳定性2.地震、波浪和海流等共同作用下多介质体动力相互作用3.近海重大交通工程结构地震破坏机理与失效模式4.近海重大交通工程结构抗震性能劣化机理与时变规律图7 课题设置关系框图课题一 近海工程场地强地震动场模拟及地震稳定性1、研究目标研究板缘地震对近海工程场地地震动中、低频成份的影响特点与规律，提出考虑陆地地震、近海域板内地震和板缘地震环境的空间大尺度近海工程场地地震动场模拟方法；研究深海沟地形、深厚软土层和斜坡土层等对工程场地地震动影响特点与规律；探索近海工程场地土动力特性及其对地基液化、侧移、震陷等场地失稳的影响规律，研究地震断层错动引起的海底场地大变形和破裂问题，发展和完善复杂地震地质环境和工程地质条件的近海工程场地稳定性评价的理论和方法。2、主要研究内容（1）近海域地震动特性及其衰减规律基于近几十年的大地震强震动观测记录，特别是日本、美国和我国台湾地区获得的近海域板内地震和板缘地震强地震动记录的分析，结合不同断层破裂模型的强震动数值模拟分析，探讨不同类型地震的地震动衰减特征；建立近海工程适用的近海域板内地震和板缘地震地震动衰减关系；研究近海域板内地震与板缘地震强震动特性及衰减规律之间的差异。（2）复杂地震地质环境下近海工程场地强地震动场的模拟研究陆地地震、近海域板内地震和板缘地震对地震动尤其是中、低频成份地震动的影响特点与规律；基于我国海域及邻近板缘区域活动断层地震震源深度分布，利用建立的板内地震和板缘地震地震动衰减关系，结合陆地地震、近海域板内地震和板缘地震的震源特性，建立考虑不同地震环境的近海工程场地地震动场模拟方法。（3）海洋土的动力特性与动力本构模型结合近海域海洋土的复杂受力环境，基于多尺度观点，开展海洋土动力特性的试验与理论分析，研究海洋土动力特性的统计规律，特别是高围压对海洋土动力特性的影响，确定海洋土动力模量和阻尼的特点和变化规律，建立海洋土的实用动力本构模型和典型海洋土的模型参数。（4）海沟场地地形和深厚软土层对地震动的影响考虑深海沟地形、深厚软土层、斜坡土层以及海水等复杂因素，建立典型的近海工程场地地震反应模拟模型及相应的数值分析方法；研究海沟场地地形和深厚软土层等因素对近海工程场地地震动的影响，揭示其特点与规律，确定影响近海工程场地地震动的关键因素。（5）近海地震断层错动场地大变形与破裂模拟研究近海工程场地活动断层破裂模式及其参数，建立断层错动引起的上覆土层变形的计算模型；基于非线性分析方法，结合离心机振动台试验，研究地震断层错动引起的近海工程场地的大变形和破裂，分析其影响程度和范围，揭示其特征与规律。（6）近海工程场地的地震稳定性建立近海工程场地液固两相饱和多孔岩土介质地震反应的模拟模型，研究海水岩土介质相互作用对地基液化、侧移和震陷的影响，揭示近海工程场地液化、侧移和震陷的特点及形成机理，建立近海工程场地地震稳定性评价的理论和方法。3、承担单位中国地震局地球物理研究所、中国地震局工程力学研究所4、课题负责人及主要学术骨干课题负责人：李小军主要骨干：李小军、谢礼立、廖振鹏、王玉石、唐晖5、经费与比例项目总经费的16。课题二 地震、波浪和海流等共同作用下多介质体动力相互作用1、研究目标基于海流与波浪、多介质与多场耦合理论，建立考虑地震、波浪和海流等共同作用的海水海洋工程地质体结构非线性动力相互作用模型及分析方法，研究复杂海洋工程地质环境、海水绕流效应等对典型桥梁下部结构动力反应的影响规律，以及深厚软土和海沟地形等海洋工程场地条件以及海水动力效应等对不同形式海底隧道结构动力反应的影响规律，揭示地震、波浪和海流等共同作用下多介质体动力相互作用机理。 2、主要研究内容（1）海洋工程地质体的力学模型及非线性波动规律建立高水压条件下由液固两相饱和多孔岩土介质、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拟模型，研究海洋工程地质体内固体骨架应力场、渗流场、动水压力场间相互耦合的作用机理，揭示地震作用下典型海洋工程场地中的非线性波动传播规律。（2）海水海洋工程地质体的动力相互作用建立地震、波浪和海流等共同作用下海水海洋工程地质体动力相互作用的模型及数值模拟方法，研究海洋工程地质体多场耦合的作用机理，揭示海水深厚软土和海沟地形等典型海洋工程场地间的耦合作用特性和规律，以及非线性波动在海水与海洋工程场地间的传播规律，建立海床的简化耗能边界条件。（3）海水桥梁下部结构的动力相互作用分别建立地震、波浪和海流作用下海水桥梁下部结构相互作用模型与高效数值模拟方法，研究地震、波浪和海流单独作用下绕流效应引起的典型桥梁下部结构的受力特点和规律，分析表面波非线性、流体粘性和可压缩性以及海床边界条件等的影响；构建地震、波浪和海流等共同作用下海水桥梁下部结构的动力相互作用模型，研究其相