【获奖类型】应用特等奖
【任务来源】科技部2002年度社会公益研究专项
【课题编号】
【课题起止时间】2003年1月～2005年12月
【完成单位】中国水利水电科学研究院
【主要完成人】张艳红、胡 晓、刘爱军、和秀芬、胡选儒、牟纯儒、乔裕民、张 勇、冯光伟、王 济、魏 力、曾 迪、欧阳先凯、李书群、禹 莹
立项背景
渡槽是输水跨越山谷、河流、道路等的一种重要的水工交叉建筑物，具有水头损失小、施工和运行管理方便等特点。在我国正在进行的大规模、长距离、跨流域的南水北调中线工程中，需要建设一批大型渡槽。与农田水利工程中常见的渡槽不同，南水北调中线工程中的渡槽规模一般都比较庞大，例如：双洎河渡槽主体全长810m，槽身段长600m，单跨30m，横向4槽，单槽宽7.00m、侧墙净高7.9m，总高8.45m，渡槽设计流量为305m3/s，加大流量为365m3/s；洺河渡槽总长829m，槽身段长640m，单跨40m，设计流量为230m3/s，加大流量为250m3/s；穿过漕河的原渡槽方案总长2700m，单槽宽12.8m、高7.3m，两槽中心线距离14.0m，设计流量为160m3/s，加大流量为190m3/s。这些大型渡槽的安全运行对保证整个南水北调工程的安全输水具有关键作用，大型渡槽的安全使用至关重要。
众所周知，地震是严重危害人类安全的一大自然灾害。20世纪以来，造成巨大灾害的地震不断发生，死亡万人以上的地震就有三十次之多，例如：1923年日本关东地震（M8.2）、1976年中国唐山地震（M7.8）、1989年美国Loma Prieta地震（M7.0）、1994年美国Northridge地震（M6.7）、1995年日本阪神地震（M7.2）、1999年土耳其地震（M7.8）、1999年台湾集集地震（M7.6）、2008年汶川地震（M8.0）等，每一次地震灾害不仅造成大量人员伤亡以及建筑物、设备、设施等的破坏与倒塌，还导致严重的次生灾害，造成巨大的经济损失和社会影响。
我国是世界上地震活动最强的国家之一。南水北调中线工程从加高坝体、扩大库容后的丹江口水库引水，沿唐白河流域西侧过长江、淮河两流域分水岭方城垭口后，经黄淮海平原西部边缘，在郑州以西孤柏嘴（后改为李村）处穿过黄河，沿京广铁路西侧北上。中线工程穿越我国东部华北地震区中的华北平原地震带，该带历史上多次发生7级以上地震，例如，1679年三河、平谷曾发生过8级大地震，1976年唐山地震更是20世纪损失最惨重的地震。根据《南水北调中线工程沿线地震加速度分布图》，南水北调中线工程沿线大部分区域的设计地震加速度在0.05g以上，部分地区达到0.20g。由于南水北调中线工程是解决华北水资源危机的一项重大基础设施，大型渡槽是中线工程中一种重要的交叉建筑物，鉴于工程对社会及国民经济的重大影响，一旦其中长距离的大型输水建筑物——渡槽结构遭受震害，将可能造成巨大的损失。因此，研究大型渡槽的抗震问题，并采取安全、经济、可靠的隔减震措施，以有效减轻地震灾害的影响，具有十分重要的现实意义。
对大型渡槽结构而言，国内外对其在地震作用下的动力反应和抗震安全评价的成果及运行经验都比较匮乏，至今为止，国内尚无规范对渡槽的抗震设计进行明确的规定。我国原水电部1978年颁行的《水工建筑物抗震设计规范》（SDJ10-78）的编制说明中指出：“渡槽等水工建筑物，由于缺少动力特性资料及实际运用经验，尚不能在此《规范》中概括，有待于进一步积累资料，于今后修订时逐步补充”。此后的10多年间，由于缺乏工程支撑和基础性研究长期滞后等因素，有关渡槽抗震问题的研究工作进展缓慢。1997年由中国水利水电科学研究院主持，会同国内有关科研、设计部门和高校修编完成、水利部于1997年颁行的《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）中，仍未列入渡槽抗震设计的相关条文。在过去的十年间，一些设计、科研部门及高校曾针对特定的渡槽设计方案进行了地震反应分析，但大型渡槽在抗震设防标准、分析方法和安全评价准则方面仍处于“无章可循”的状态，这使得这类重大工程结构存在由于设计缺陷而导致其在强震时酿成严重灾害的隐患。
大型渡槽隔减震研究的目的是采取有效的控制措施，减轻渡槽结构在地震作用下的破坏程度。近30年来，关于结构振动控制问题的研究取得了大量的成果，发展了诸如主动控制、半主动控制、被动控制等方法，特别是始于上世纪70年代初期的隔震、减振技术在实际工程应用中取得了很大的进展，至今为止，隔震技术在桥梁工程领域已经得到应用，如：新西兰自1973年建成世界上第一座采用隔震技术的桥梁（即跨度170m的Moto钢桥）以来，至今已有近50座桥梁采用了隔震技术；美国目前已有100多座桥梁采用了隔震技术，其中包括对既有桥梁的加固；意大利于1974年开始在桥梁结构中采用隔震技术，至今为止，已建成隔震桥梁150多座。其中，一些桥梁工程还经受了实际地震的考验，如：新西兰采用隔震技术的Te Teko桥在1987年3月发生的里氏6.37级、震中在大桥以北9km处的Edgecumbe地震中、美国采用隔震技术加固的Eel River桥在1992年4月25日的California地震中均表现出很好的抗震性能和减震效果。
目前，国内外仍未有应用隔震技术的渡槽实例。但是，在大型渡槽结构中采用隔震技术，以降低渡槽结构的地震响应，应是一项具有良好发展前景的抗震措施。与桥梁结构不同的是，隔震装置在大型渡槽结构中虽然可产生较好的减震效果，但同时也使得上部槽体产生较大的整体位移。对渡槽体系而言，较大的位移可能使得跨间伸缩横缝止水装置难以适应，止水材料拉伸破坏，从而导致漏水。而且，由于槽体内存在大量的水体，槽墩上部结构的重量将远大于一般桥梁上部结构的重量，此时，适用于渡槽结构的隔震支座，在水平刚度、竖向承载能力等力学性能参数方面将与适用于桥梁结构的隔震支座存在显著区别。相对于隔震桥梁而言，隔震渡槽在地震作用下的动力反应特点也将显著不同。
详细科学技术内容
本项目研究南水北调大型渡槽工程抗震的几个关键技术问题，提出解决问题的方法，并探讨其对大型渡槽地震反应的影响；结合实际大型渡槽工程，分析渡槽的地震反应特点，评价其抗震安全性；结合实际大型渡槽工程，进行地震振动台动力试验研究，以进一步了解渡槽结构地震反应的特点，并对计算方法和计算成果进行检验；针对大型渡槽的结构特点，进行隔震技术的开发、隔震支座产品的研制；应用实测的隔震支座产品的力学参数，采用数值模拟的手段计算分析大型隔震渡槽的地震反应，研究隔震支座的减震效果。
本项目的详细科学技术内容如下：
（1）大型渡槽抗震的几个关键技术问题
① 大型渡槽结构的多点输入问题是大型渡槽抗震的一个关键问题。南水北调中线工程中的大型渡槽单跨跨度大、总的跨数多，渡槽延绵距离也很长，各跨槽墩所在的局部地基条件可能存在较大的差别，各跨槽墩高度也可能不同，地震时，沿大型渡槽各跨槽墩的地震输入将存在差异。本项研究在总结已有的关于多点输入地震动时程的确定方法及多点输入结构地震反应分析方法的基础上，采用反演-正演分析方法及显式有限元-人工透射边界方法确定沿各跨槽墩不均匀输入的地震动时程，研究地震输入的不均匀性对大型渡槽（分别考虑设置不同水平剪切刚度的支座、空槽与满槽）地震反应的影响。研究结果表明：
- 若不考虑地震沿各跨槽墩输入的不均匀性时，渡槽各跨槽身、支座的地震反应基本一致，槽墩高度的差异对渡槽水平向地震反应影响小，特别是采用柔性支座时，槽墩高度差异的影响甚至可以忽略；
- 在大型渡槽中设置刚性支座时，各跨槽墩所处局部地基材料特性的不均匀性对渡槽各跨地震反应的影响很大，此时，渡槽各跨槽身、支座的地震反应差异很大，各跨渡槽之间的相互影响程度显著；
- 在大型渡槽中设置柔性支座时，各跨槽墩所处局部地基材料特性的不均匀性对渡槽各跨水平向地震反应的影响程度较设置刚性支座时降低，但对渡槽各跨竖向地震反应的影响仍然很大。此时，渡槽各跨槽身、支座的水平向变形最大值基本一致，各跨渡槽之间的水平向相互影响程度降低；
- 地震作用下，槽内水体对渡槽横槽向反应影响显著。沿各跨槽墩均匀输入地震波时，水体与槽身的动力相互作用对渡槽各跨槽身、支座的地震反应影响程度基本相同。
② 槽身与水体的动力相互作用问题是大型渡槽抗震的另一个关键问题。本项研究基于解析分析方法、分析贮液容器中动水压力的Housner流体动态模型以及各国坝工设计规范引用的Westergaard动水压力公式，提出了适用于大型渡槽槽身水平向和竖向动水压力计算的简化公式，由式（1）、式（2）、式（3）所表，即
（1）
（2）
（3）
以某实际渡槽为例，分别采用本项研究建议的槽内水体动水压力计算方法、流体有限元方法以及Housner流体动态模型，对渡槽动力特性的计算结果进行了比较。结果表明，本项研究建议的槽内水体动水压力计算方法不仅简便可行，而且计算精度也可满足工程要求。
本项目还采用动力试验研究的方法，对南水北调大型渡槽（漕河渡槽、洺河渡槽）在不同类型、不同加速度峰值、不同激振方向的输入波作用下槽内水体的动水压力进行了分析，得到了槽内水体动水压力的分布规律，对本项研究建议的槽内水体动水压力计算方法进行了检验。
③ 隔震技术是一种新的抗震技术，并在实际工程中得到了应用，在已发生的几次大地震中，采用隔震技术的桥梁等建筑物都达到了预期的目标，体现了很好的抗震性能。但是，在大型渡槽中应用隔震技术，目前尚无工程实例。本项目基于隔震机理，提出了在大型渡槽中应用隔震技术的主要目标，包括两个方面：
1）在渡槽中设置隔震装置，在满足渡槽正常使用功能要求的前提下，延长渡槽基本周期，达到改变结构动力特性的目的，从而避开地震能量相对集中的频段，并利用耗能装置消耗大量地震能量，减少渡槽槽身结构的地震反应。
2）通过设置隔震装置，同时也改善降低后的地震作用在各槽墩间的分布，保护基础和槽墩。
本项研究建议，根据大型渡槽的设计阶段、场地类型、支座的力学特性、设计结构的复杂程度等多种影响因素的不同，隔震渡槽在地震作用下的反应分析方法可选择采用单自由度反应谱法、多自由度反应谱法、非线性动力时程分析法，并对每一种分析方法的计算原理进行了介绍。
本项研究还针对隔震支座的非线性性质，提出了一种求解非线性隔震渡槽动力反应的分析方法，即：对非线性体系中的恢复力项进行分解，将非线性动力平衡方程式转换成为一个受假想等效地震力作用的线性体系的动力平衡方程式，这一处理意味着隔震支座材料非线性的全部影响均包含在该等效地震作用中了。本项研究还开发了相应的计算程序。
④ 大型渡槽-桩-土动力相互作用问题是大型渡槽抗震的又一个关键问题。大型渡槽-桩-土动力相互作用问题实质上仍属于土与结构相互作用问题研究的范畴。在这个问题中，土与渡槽上部结构之间的相互作用是通过桩来传递的，分析中可以将桩和渡槽上部结构作为一个结构体系，研究它与土体的相互作用。本项研究总结了桩-土动力相互作用问题常用的两种分析方法，即集中质量法和有限元法，并介绍了有限元法中模拟桩-土接触界面的几种常用模型。本项研究认为，对于大型渡槽-桩-土动力相互作用问题，若研究的重点在于渡槽上部结构的地震反应，可采用集中质量法分析桩侧土的动力影响；如果还要研究这种相互作用对土体动力反应的影响时，应采用有限元法。
⑤ 采用有限元方法研究大型渡槽在地震作用下的动力反应时，一个显著的问题是如何在保证数值模拟精度的条件下提高结构反应的计算速度。提高计算速度的方法有多种，其中，提高计算的时间步长应是一个合适的选择。本项研究提出了一种有阻尼结构体系的显隐式积分方法，即，在对整体结构进行显式积分的过程中，对结构的局部区域采用隐式积分方法计算，其关键点在于克服局部区域对整体结构时间步长选择的约束作用，提高整体结构计算的时间步长。计算流程如下：
本项研究以两个实际算例进行了分析，结果表明：在每一计算时步内，显式积分格式和本项目建议的显隐式积分格式关于显式区域的计算机时是完全相同的，而关于隐式区域的计算机时，显隐式积分格式稍有增加，但总的看来，由于总的计算步数大大减少，显隐式积分格式在计算效率上仍占有明显的优势。采用本项研究建议的显隐式积分格式进行计算，时间步长的选择将不再受到局部区域介质的材料特性、尺寸大小或其它因素的影响，该显隐式积分格式应是一种在大型渡槽抗震计算中实用的数值积分格式。
（2）实际大型渡槽的地震反应分析与抗震安全性评价
本项目结合南水北调中线穿黄孤柏嘴工程原渡槽设计方案、漕河渡槽桁架拱设计方案，对大型渡槽的地震反应进行了计算分析，并对其抗震安全性进行了评价。
① 穿黄渡槽：
穿黄渡槽所在工程场地的基本烈度为7度。对该渡槽进行地震反应分析和抗震安全性评价时，采用了本项研究给出的槽内水体与槽身动力相互作用的简化计算公式，并考虑了桩的影响和预应力钢筋的作用，计算分析了八种不同荷载组合工况下穿黄渡槽的静力、动力反应。结果表明：
- 渡槽槽身最大静位移幅值为20.68mm、最大动位移幅值为22.25mm，均发生在跨中断面，最大位移值满足《水工钢筋混凝土设计规范》的要求；
- 支墩顶部最大静位移为8.95mm，最大动位移为13.58mm；
- 槽内无水时，跨中截面最大静主应力为0.775MPa，最大静动综合主应力为0.790MPa；双槽有水时，跨中截面最大静主应力为0.761MPa，最大静动综合主应力为0.778MPa；单槽有水时，跨中截面最大静动综合主应力为0.841MPa；跨中截面的最小静主应力为-11.324MPa，最小静动综合主应力为-14.705MPa。各应力反应均在规范允许范围内；
- 支座截面的最大静主应力为2.794MPa、最大静动综合主应力为3.131MPa，均出现在支座截面两侧布设预应力钢筋的位置上。由于在实际的施工过程中，在预应力钢筋锚具下及张拉设备的支承处，应采用预埋钢垫块及附加横向钢筋网片或螺旋式钢筋等局部加强措施，因而，实际情况不会出现如此高的拉应力。此外，建议在施加环向钢筋的槽体内壁、支座支承点附近，也应采取必要的工程措施进行加强，防止局部拉应力过大。
- 支墩底部的最大静主应力为-0.350MPa，最小静主应力为-5.172MPa，最大静动综合主应力为1.874MPa，最小静动综合主应力为-8.214MPa。建议对支墩采取适当的配筋措施。
- 渡槽桩基的主要受力部位在桩的顶部，以轴向力和弯矩为主。槽内有水时，桩顶最大静轴力为12839.1kN，最大静动综合轴力为16293.47kN，最大静动综合弯矩为6624.092kNm，桩内的剪力不大，扭矩更小。桩顶部为控制断面，建议采取适当的配筋措施。
② 漕河渡槽：
漕河渡槽所在工程场址位于6度与7度地震区交界处。考虑到渡槽本身的重要性及桁架拱结构抗震性能的复杂性，漕河渡槽的设计按7度地震设防考虑。采用本项目关于大型渡槽抗震关键问题研究的成果，计算分析了四种工况下漕河渡槽的地震反应。结果表明：
- 在槽身各典型截面上，槽身与桁架拱连接处出现局部应力集中现象；在槽身x=15m处、x=30m处截面上，还由于相邻槽段之间的动接触影响，局部点处应力值很大。但这些截面上其余区域的最大主拉应力不是很大，约在2.25MPa以内；
- 是否考虑竖向地震作用对槽身结构的应力影响不是很大，在三方向地震同时作用下槽身截面最大主拉应力较在两个水平方向地震作用下的相应值增大约10%；
- 由于槽内水体的影响，设计水深时槽身的应力反应较空槽时大，但动应力分布规律基本相同；
- 槽内有水且为设计水深时，外侧桁架拱最大主应力出现在拱脚、顶拱附近以及四分之一拱圈等处，距拱端3m处剪刀撑的最大主应力出现在剪刀撑底部，距拱端6m和9m处剪刀撑的最大主应力出现在剪刀撑底部的横梁上。相比较而言，其余部位的应力不是很大。
（3）实际大型渡槽的地震振动台动力试验
模拟地震振动台试验是结构抗震研究的重要手段之一。南水北调中线工程中的大型渡槽结构复杂，为了确保渡槽的抗震安全性，并对大型渡槽地震反应的数值计算结果进行检验，本项目在中国水利水电科学研究院的大型三向六自由度宽频域模拟地震振动台上，对两个大型渡槽（即：漕河桁架拱渡槽、洺河梁式渡槽）结构的抗震性能进行了全面、系统的研究。
漕河渡槽模型 洺河渡槽模型
两个大型渡槽的模拟地震振动台动力试验具有一些共同的特点，如：用机床加工复杂的渡槽支撑结构和槽身结构，在完整模拟一跨渡槽复杂结构的基础上，考虑了邻跨段渡槽的影响；测试了槽身无水、有水等多种工况下渡槽结构的动力特性；对多种工况下渡槽结构的动力反应进行试验研究，并与有限元动力分析成果进行比较；试验中考虑了输入地震波的随机性等。
① 漕河渡槽：
漕河桁架拱支撑型式渡槽的模拟地震振动台动力试验的主要结论是：
- 渡槽的基本振型为横槽向振型。槽身无水时，结构横槽向振动的基本频率为2.93Hz，顺槽向振动的基本频率为4.39Hz；双槽有水时，结构横槽向振动的基本频率为2.44Hz，顺槽向振动的基本频率为3.74Hz；
- 渡槽槽身顶部加速度幅值明显放大。双槽有水时，沿顺槽向输入7度人工波，槽身顶部加速度放大倍数约为3.2；
- 槽身动水压力测试结果表明，采用Westergaard动水压力修正式计算的动水压力值与实测值接近且分布合理；
- 双槽有水时，沿三方向输入7度人工波，渡槽拱脚最大动应力为6.24MPa，顶拱附近最大动应力为3.46MPa，拱圈处最大动应力为4.04MPa，斜拉杆最大动应力为6.09MPa，各最大动应力值均出现在外侧桁架拱；竖杆的最大动应力为6.88MPa，出现在第二品桁架的根部；水平拉杆的最大动应力为4.44MPa，出现在第一拱脚与第二拱脚的附近；槽身底部的最大动应力为4.09MPa，槽身侧墙底部的最大动应力为4.65MPa，槽身顶部拉杆的最大动应力为2.53MPa；
- 沿横槽向输入地震波时结构的动应力较沿顺槽向或竖向输入地震波时的相应值大，动应力最大值出现的位置也不同。沿竖向输入地震波时结构的动应力较沿水平向输入地震波时的相应值小；
- 有水工况时槽身动应力较无水工况时的相应值大，但动应力分布规律基本相同。分别输入人工波和El-Centro波时，渡槽的动应力响应相差不大，但输入迁安波时，渡槽的动应力响应较小。分别输入人工波、El-Centro波、迁安波时，结构的动应力分布规律基本一致；
- 双槽有水时，沿三方向输入7度人工波，渡槽的最大动位移发生在槽身顶部，其值不超过1cm。
② 洺河渡槽：
洺河梁式支撑型式渡槽的模拟地震振动台动力试验的主要结论是：
- 渡槽的基本振型为顺槽向振型。槽身无水时，结构顺槽向振动的基本频率试验值为2.64Hz，横槽向振动的基本频率试验值为4.73Hz；槽身有水（水深H）时，结构顺槽向振动的基本频率试验值为2.24Hz，横槽向振动的基本频率试验值为3.59Hz；
- 槽身无水时，沿横槽向分别输入7度、8度人工波，槽墩各测点的横槽向加速度响应相对于输入波没有放大，通过支座传递至槽身底部的横槽向加速度幅值略有放大且高频成分有所减少，槽身顶部的横槽向加速度幅值有明显放大，7度人工波输入时放大倍数约为3.2，8度人工波输入时放大倍数约为2.4，槽身顶部各测点横槽向加速度响应基本一致。沿横槽向输入地震波时，各测点的顺槽向和竖向响应均很小，表现出较强的单向性；
- 槽身无水时，沿顺槽向分别输入7度、8度人工波，槽墩顶部的顺槽向加速度响应相对于输入波有所放大，通过支座传递至槽身的顺槽向加速度幅值基本保持不变且高频成分减少较多，槽身顶部的顺槽向加速度幅值与槽身底部基本相同，相对于输入波有所放大；
- 槽身无水时，沿竖向输入7度人工波，槽墩顶部以及通过支座传递至槽身底部的竖向加速度幅值与槽墩底部的输入基本相同，槽身跨中部位竖向加速度则有明显放大，放大倍数约为2.2；
- 槽身有水时，沿横槽向、顺槽向、竖向同时输入7度、8度人工波，各测点的加速度响应规律与槽身无水单向激振时的规律基本一致。输入波分别为El-Centro波、迁安波时，渡槽的反应规律与输入人工波时的基本一致；
- 槽身动水压力测试结果表明，采用Westergaard动水压力修正式计算的动水压力值与实测值接近且分布合理；
- 槽墩应力在槽身有水（水深H）时最大，并且输入El-Centro波时槽墩动应力明显大于输入人工波和迁安波时相应的结果。例如：槽身有水（水深H）时，沿横槽向、顺槽向、竖向同时输入7度El-Centro波，槽墩应力最大值为2.3MPa；同时输入8度El-Centro波，槽墩应力最大值为3.3MPa；同时输入7度人工波，槽墩应力最大值为2.0MPa；同时输入8度人工波，槽墩应力最大值为2.4MPa；同时输入7度迁安波，槽墩应力最大值为1.3MPa；同时输入8度迁安波，槽墩应力最大值为2.3MPa。槽身有水（水深分别为H/3、2H/3）时，槽墩和槽身的动应力小于槽身有水（水深为H）时的相应值；
- 槽身无水时，沿横槽向、顺槽向、竖向同时输入8度人工波，槽身底板顺槽向最大动应力为1.0MPa，中槽底板横槽向最大动应力为2.0MPa，边槽底板在靠近支座处应力集中，横槽向最大动应力为3.0MPa，槽身主梁顺槽向最大动应力不超过1.3MPa。槽身无水时，7度地震作用下槽身结构动应力约为8度时相应值的一半；
- 槽身有水（水深为H）时，沿横槽向、顺槽向、竖向同时输入8度人工波，槽身底板顺槽向最大动应力不超过2.0MPa，中槽底板横槽向最大动应力为2.5MPa，边槽底板在靠近支座处应力集中，横槽向最大动应力为5.0MPa，槽身主梁顺槽向最大动应力不超过2.0MPa；槽身有水（水深为H）时，沿横槽向、顺槽向、竖向同时输入8度El-Centro波，槽身底板顺槽向最大动应力为1.7MPa，中槽底板横槽向最大动应力为2.2MPa，边槽底板在靠近支座处应力集中，横槽向最大动应力为4.5MPa，槽身主梁顺槽向最大动应力为2.0MPa；槽身有水（水深为H）时，沿横槽向、顺槽向、竖向同时输入8度迁安波，槽身底板顺槽向最大动应力为1.2MPa，中槽底板横槽向最大动应力为1.8MPa，边槽底板在靠近支座处应力集中，横槽向最大动应力为2.4MPa，槽身主梁顺槽向最大动应力为1.5MPa；
- 槽身有水（水深为H）时，沿横槽向、顺槽向、竖向同时输入8度人工波，槽墩的最大动位移沿顺槽向，其值约为2cm；槽身顶部的最大动位移沿横槽向，其值约为2.7cm。
（4）大型渡槽隔震技术的开发及隔震支座产品的研制
本项目结合南水北调中线工程中的大跨度、需要进行抗震设计的大型渡槽，进行隔震技术的开发和隔震支座产品的研制。
本项研究开发的隔震产品包括两种类型，即：铅芯橡胶隔震支座、球型钢支座。
① 铅芯橡胶支座：
铅芯橡胶支座是在叠层橡胶支座的中间开孔部位灌入铅所构成。本项研究基于叠层橡胶支座和铅芯橡胶支座的构造和性能，结合洺河大型渡槽工程，进行铅芯橡胶支座的设计。设计的铅芯橡胶支座型号为
，规格为：
本项研究还对研制的铅芯橡胶支座 两个试件A和B的力学性能进行了测试。
铅芯橡胶支座及其力学性能测试
② 球型隔震支座：
本项研究在重点研制开发铅芯橡胶支座的同时，还尝试对普通支座进行改造，使其具有一定的隔震功能，即在保证支座正常使用功能的情况下，提高其抗震能力。对普通支座进行改造，在原有的普通支座生产线上增加生产有关隔震元件的部分，在不增加整体设备投资的情况下，以较低的成本满足支座更广泛功能的要求。本项研究提出的球型隔震支座即是一种在普通球型支座基础上研发的、集常规产品的优点并具有一定复位能力和耗能能力的隔震支座。根据实际需要，球型隔震支座可以设计为单向活动型式和固定型式。
结合洺河大型渡槽工程，本项目研制了球型隔震支座NKQZ15000GD，并对研制的一个球型隔震支座试件的力学性能进行了测试。
球型隔震支座及其力学性能测试
（5）大型隔震渡槽的地震反应分析及隔震支座的减震效果研究
本项目以洺河大型渡槽为例，采用本项目研制的两种类型的隔震支座的实测力学性能参数，对隔震渡槽的动力特性及地震反应、隔震支座的减震效果进行了深入的分析。主要结论为：
- 支座不同的水平剪切刚度对渡槽动力特性的影响主要表现在：若采用水平剪切刚度大的刚性支座时，渡槽各阶振型的频率分布相对比较集中；低阶振型中，槽身、槽墩及桩的变形均很大。若采用水平剪切刚度小的柔性支座时，渡槽的前三阶隔震频率较其它高阶频率低得多；渡槽的前三阶振型表现为槽身的整体平动（第一阶振型、第二阶振型）和整体转动（第三阶振型），变形主要集中在隔震支座处。
- 支座不同的水平剪切刚度和阻尼对渡槽地震反应的影响主要表现在：支座不同的水平剪切刚度对槽身和支座的水平向位移影响很大，对槽身的竖向变形影响较大，但对支座的竖向变形影响很小。降低支座的水平剪切刚度时，槽墩各截面中部竖向动位移最大值基本上不受影响，但槽墩各截面的四周，由于受槽墩水平向动位移降低的影响，其竖向动位移最大值也降低。支座不同的水平剪切刚度对槽身的水平向加速度反应影响很大。降低支座的水平剪切刚度后，槽身和槽墩各个典型截面的最大主应力均有大幅度下降，桩的内力也大幅度降低。增加隔震支座的阻尼，有助于降低槽身和支座的水平向动位移反应，但是，对槽身和支座的竖向动位移、槽墩的水平向和竖向动位移影响小。
- 竖向地震波对渡槽地震反应的影响主要表现在：是否输入竖向地震波，对槽身和支座的水平向最大动位移影响小，对设置隔震支座的渡槽槽身和支座的竖向最大动位移影响大，对设置刚性支承方案的渡槽槽身和支座的竖向最大动位移影响较小；是否输入竖向地震波，对设置隔震支座的渡槽槽墩的最大动位移影响较大，对设置刚性支承方案的渡槽槽墩的最大动位移影响很小；是否输入竖向地震波，对槽身的水平向加速度最大值影响不大，对槽墩的加速度最大值影响也不大，但对槽身的竖向加速度最大值影响大，特别是对设置隔震支座的渡槽跨中截面的竖向加速度最大值影响最大；是否输入竖向地震波，对设置隔震支座的渡槽槽身和槽墩的最大主应力影响很大，对设置刚性支承方案的渡槽槽身和槽墩的最大主应力影响较小；是否输入竖向地震波，对隔震渡槽中桩的动力反应的影响较对设置刚性支承方案的渡槽中桩的动力反应的影响更显著。
- 在渡槽中设置本项目研制的铅芯橡胶支座时，8度人工波作用下，槽身横槽向动位移、顺槽向动位移最大值分别为49.14mm、25.57mm，槽墩上部横槽向动位移、顺槽向动位移最大值分别为0.85mm、1.48mm；在渡槽中设置本项目研制的球型隔震支座时，8度人工波作用下，槽身横槽向动位移、顺槽向动位移最大值分别为86.46mm、52.34mm，槽墩上部横槽向动位移、顺槽向动位移最大值分别为0.92mm、1.21mm。就加速度反应而言，相对于槽墩上部的水平向加速度而言，槽身支座截面底部横梁处的水平向最大加速度反应有很大程度的降低，但槽身其它位置的水平加速度相对于槽身支座截面底部横梁处均有不同程度的放大或减小。
- 在渡槽中设置本项目研制的隔震支座时，采用反应谱分析方法计算得到的支座和槽身的水平向动位移较采用动力时程分析方法输入人工波时计算得到的相应结果大，但前者计算得到的槽墩动位移、槽身竖向动位移较后者计算得到的相应结果小。采用反应谱分析方法计算时，8度地震作用下渡槽槽身、槽墩的最大主应力及桩的内力较7度地震作用下渡槽槽身、槽墩、桩的反应相应值提高1倍左右。
- 不同地震波对隔震渡槽地震反应的影响表现在：渡槽槽身和支座的横槽向位移以输入8度人工波时为最大，渡槽槽身和支座的顺槽向位移以输入8度El-Centro波时为最大，渡槽槽身和支座的竖向位移以输入8度人工波时为最大。在不同地震波作用下，隔震渡槽槽墩的水平向位移都很小。在8度El-Centro波和8度Koyna波作用下，渡槽各部分的加速度反应规律与在8度人工波作用下的基本一致，槽身各部分的水平向加速度反应较小，但竖向加速度反应较大，槽墩的加速度反应也较大。输入El-Centro波和Koyna波计算的槽身及槽墩的最大主应力较输入人工波计算的相应值小。输入El-Centro波计算的桩内力较输入人工波计算的相应值小，而输入Koyna波计算的桩内力较输入El-Centro波计算的相应值大，特别是桩1上部的剪力FS和弯矩FTT以及桩2的内力反应，在Koyna波作用下的反应值甚至高于在人工波作用下的相应值。
- 在渡槽中设置本项目研制的隔震支座，可以提高渡槽结构的水平柔度和耗能能力，此时，若隔震渡槽仅在两个水平方向地震作用下，渡槽槽身、槽墩的最大主应力将大幅度降低，表明隔震支座的设置对降低结构应力反应的作用十分显著。
- 本项目还对隔震渡槽中水体的TLD效应进行了分析，结果表明，在8度人工波作用下，设置球型隔震支座的隔震渡槽槽内水体晃动比较显著，采用Housner流体动态模型计算得到水面振荡的最大波高为0.890m，但由于水面至槽身顶部尚有1.3m的距离，水仍然在槽内，不会溢出，此时，水体作用在槽壁上的脉冲压力不大，但对流压力较大，水体的晃动具有一定的TLD效应，这对减少槽身结构的地震反应是有一定的益处的；在8度人工波作用下，设置铅芯橡胶支座的隔震渡槽槽内水体晃动比较小，采用Housner流体动态模型计算得到水面振荡的最大波高为0.189m，水不会溢出，此时，水体作用在槽壁上的对流压力很小，水体的TLD效应也很小。
- 本项目对隔震渡槽的动力特性及地震反应、隔震支座的减震效果进行了全面、系统的分析，研究表明，在大型渡槽中设置隔震支座，可以延长渡槽结构的基本周期，改变其动力特性，并达到减少渡槽槽身、槽墩及桩的地震反应45%以上的目的，从而提高大型渡槽结构的抗震安全性。
发明及创新点
本项目的创新点包括以下几个方面：
（1）研究了地震输入的不均匀性对普通支座渡槽、隔震支座渡槽的不同影响；
（2）基于理论分析、数值试验及物理试验，提出了适用于大型渡槽槽身水平向和竖向动水压力计算的简化公式；
（3）基于隔震机理，提出了在大型渡槽中应用隔震技术的主要目标；
（4）提出了一种有阻尼结构体系的显隐式积分方法，以提高大型工程结构抗震分析的计算效率；
（5）对南水北调中线大型渡槽进行了大型振动台试验研究及抗震计算分析，总结了大型渡槽地震反应的特点，并提出了相应的抗震措施；
（6）结合南水北调中线工程中的大跨度、需要进行抗震设计的大型渡槽，进行了隔震技术的开发和隔震支座产品的研制，开发了两种类型的隔震产品，即：铅芯橡胶隔震支座、球型钢支座，并对研制产品的力学性能进行了测试；
（7）将研制产品的力学参数应用于实际大型渡槽的地震反应分析中，研究表明，在大型渡槽中设置隔震支座，可以延长渡槽结构的基本周期，改变其动力特性，并达到减少渡槽槽身、槽墩及桩的地震反应45%以上的目的，从而提高大型渡槽结构的抗震安全性。
与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较
对于大型渡槽结构而言，国内外对其在地震作用下的动力反应和抗震安全评价的成果及运行经验都比较匮乏，至今为止，国内尚无规范对渡槽的抗震设计进行明确的规定。
大型渡槽结构的地震反应分析涉及诸多关键技术问题，如：地震多点输入问题、大型渡槽-水体动力相互作用问题、大型渡槽-桩-土体动力相互作用问题、大型渡槽的隔减震问题、大型工程地震反应计算效率等。本项目针对这些关键问题，采用理论分析、数值模拟及物理试验相结合的手段，探讨了大型渡槽地震反应分析方法，总结了大型渡槽地震反应的一般规律，相关研究成果在国内外同类研究中处于领先地位。
大型渡槽抗震研究的最终目的是采取有效的控制措施，减少渡槽结构在地震作用下的破坏程度。隔震技术的应用在国内外土木工程领域已经十分广泛，但其在水工程领域的应用较少。本项目结合南水北调实际大型渡槽工程，提出优化的隔震支座力学参数，研制了符合实际大型渡槽结构特点、同时具有良好隔震性能的两种隔震装置（即铅芯橡胶隔震支座、球型隔震支座），并对其力学性能进行了试验研究。本项目首次提出了大型隔震渡槽的抗震性能目标，并通过对实际渡槽工程的计算分析及不同支座方案的比较研究，证明了本项目所提出的隔震措施可以减小大型渡槽结构的地震反应、达到工程抗震安全的目的。相关研究成果在国内外同类研究中也是处于领先地位的。
成果应用情况及社会经济效益
本项目关于大型渡槽抗震的研究成果具有重要的工程实用价值和学术理论意义，研究成果已被南水北调中线工程河北省段洺河渡槽、河南省段双洎河渡槽设计采纳，并可推广应用于其它大（中）型水利水电工程中。研究成果创造了巨大的经济效益，并具有显著的社会效益。
成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题
本项目的研究成果已经在南水北调中线工程河北省段洺河渡槽、河南省段双洎河渡槽的设计中得到应用。在今后的推广应用中还需加强宣传力度，并使抗震支座产品批量化生产，降低生产成本，尽快在地震区的渡槽工程中推广隔震技术。
中国水利水电科学研究院