基于设计反应谱的桥台地震主动土压力非线性分布模型与离心机试验验证

为解决传统M-O法(Mononobe-Okabe method)在考虑地震惯性力时程特性和分布特征的局限性，重庆交通大学等单位研究人员结合随机振动理论和傅里叶变换，提出了基于设计反应谱的桥台地震主动土压力计算新模型。通过建立修正地震加速度分布的解析解公式，并开展离心机振动台试验，证实该方法能更精确描述土压力强度分布的非线性特征，为桥梁抗震设计提供理论支撑。

　　

在地震频发的背景下，桥梁结构的抗震性能始终是工程界关注的焦点。作为桥梁与路堤衔接的关键部位，桥台承受着来自上部结构的竖向荷载和地震作用下的复杂土压力。传统抗震设计依赖的M-O法(Mononobe-Okabe method)虽被广泛采用，但其将填土视为刚性体的假设明显偏离实际——既无法反映地震加速度的时程特性，也不能给出土压力强度的沿程分布，这成为制约桥梁抗震性能提升的瓶颈问题。更棘手的是，现有改进方法如伪动态法(pseudo-dynamic method)仍受限于单一特征周期参数，难以全面表征地震动的频域特征。

针对这一挑战，中国地震局工程力学研究所、重庆交通大学等单位的研究团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表创新成果。研究者独辟蹊径地引入中国《公路桥梁抗震设计规范》的设计反应谱，结合随机振动理论(Random Vibration Theory)和傅里叶变换(Fourier Transform)，构建了地震加速度分布的新模型。通过理论推导与离心机振动台试验的双重验证，不仅建立了包含合力、强度分布及作用位置的完整解析解体系，更首次实现了对土压力非线性分布特征的精确刻画。

关键技术方法包括：1)基于设计反应谱推导水平地震加速度分布的详细解与简化解；2)采用DCIEM-40-300离心机振动台系统(模型相似比50)开展试验验证；3)应用Laminar Box-Ⅰ型叠层剪切模型箱模拟土-结构相互作用；4)通过参数化分析比较新方法与M-O法、伪动态法的差异。

设计反应谱
研究选取中国规范特有的三段式设计反应谱，其控制周期带宽达10秒，放大系数保守取2.5。通过数学变换将谱特性转化为地震加速度沿填土深度的分布函数，突破传统方法仅考虑特征周期T_g的局限。

假设与解析模型
在保留伪动态法弹性介质假设基础上，新增三项创新假设：填土均质各向同性、滑动面为平面、考虑竖向地震系数k_v。通过力平衡方程推导，得到主动土压力合力P_ae的显式表达式，其包含静力项和动力修正项。

离心机试验验证
试验采用100g离心加速度，输入包含El Centro波在内的三种地震波。测量数据显示，新方法预测的土压力强度分布曲线与实测数据吻合度达90%以上，尤其在桥台底部1/3高度区域，精度显著优于传统方法。

结论与意义
该研究通过理论创新与试验验证的闭环研究，取得三大突破：1)建立考虑设计反应谱全频段特性的地震加速度分布模型；2)提出包含合力大小、分布形态和作用位置的完整解；3)揭示土压力强度沿深度呈非线性衰减的规律。这些成果不仅为桥梁抗震设计规范更新提供理论依据，其基于随机振动理论的建模思路更为岩土地震工程研究开辟新途径。

值得关注的是，研究团队特别指出新方法在强震区(水平峰值加速度A>0.4g)桥台设计中的优势。相较于M-O法平均20%的保守偏差，新方法可将计算精度提升至工程可接受的±5%范围内。未来研究将聚焦于复杂地层条件和三维效应的影响，进一步推动理论模型的工程实用化进程。