论文部分内容阅读
【摘要】本文以一深水连续刚构桥为分析对象，通过Morison方程考虑动水压力，采用ANSYS建立有限元模型计算桥梁的线性地震响应；采用Perform-3D建立计算模型计算桥梁的非线性地震响应。基于计算结果，讨论了动水压力对深水桥梁的线性和非线性地震响应的影响，比较了深水桥梁线性与非线性地震响应的差异。
【关键词】深水桥梁；动水压力；非线性；地震响应
很多学者都对处于深水中的桥梁进行大量的研究，江辉[1]采用基于流固耦合理论的势流体的计算方法对近、远场地震作用下等效单墩结构振动特性及动力响应进行对比分析。曾金明[2] 采用FSI流固耦合方法分析了深水桥墩的地震响应，并对影响地震响应的水深、水域面积及壁厚等因素进行分析；黄信[3]分别采用Morison方程和辐射波浪理论分析动水压力对桥墩地震响应的影响。本文以一深水桥梁为研究对象，考虑动水压力对深水桥墩的线性和非线性地震响应影响。
1、工程概况
岩湾河大桥主桥跨径布置为（95+180+95）m，桥面宽度为12.25m，主梁采用变高度预应力混凝土单箱单室箱梁，箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8次抛物线变化。主桥桥墩采用双肢矩形空心墩，桥墩沿顺桥宽度为3.5m，沿横桥宽度为9.0m，壁厚均为0.9m，肢间净距7.0m；墩高为80m。本文以岩湾河大桥为研究对象，采用Morison[4，5]方程考虑动水压力，计算了深水桥墩的地震响应。采用有限元程序Ansys对全桥建立三维空间有限元模型，无水和有水时（水深为64m）的有限元模型图如图1。
（a）无水
（b）有水
2、动力特性计算
分别计算出不考虑水作用以及采用Morison方程考虑动水压力时桥梁的自振频率。表1列出了两种情况下前20阶桥梁的自振频率及自振周期。
在同一阶振型下，有水时的自振频率均小于无水状态下的自振频率。无水时，该桥的第一阶自振频率为0.2747Hz，考虑水对桥墩的影响后桥梁的自振频率为0.2519 Hz，比无水时下降了。
3、线性地震响应分析
选择了El-Centro地震波、Mexico地震波和Taft地震波进行输入[6]，对岩湾桥进行地震响应分析。表2和表3分别列出了El-Centro地震波作用下顺桥向、横桥向桥墩墩顶和墩底内力响应值。
由表2和表3可知，以1号桥墩为例，相对于无水情况，有水时的桥墩沿着顺桥方向墩顶剪力的增加量为252kN；增长率为5.17%；墩顶弯矩的增加量为3509kN.m；增长率为3.56%；墩底剪力的增加量为999kN；增长率为15.14%；墩底弯矩的增加量为24898kN.m；增长率为4.75%。
由上述分析可知，（1）相对于无水，动水压力增大了深水桥墩地震响应值的影响；（2）对比动水压力对桥墩剪力和桥墩弯矩的影响，相同情况下，动水压力对墩底剪力的影响要大于对墩底弯矩的影响；（3）对比墩顶内力和墩底内力的影响，相同情况下，动水压力对墩底内力的影响大于对墩顶内力的影响。
（a）顺桥向
（b）横桥向
图2 1号桥墩墩顶位移时程曲线
图2为1号桥墩墩顶位移时程曲线。从图2可以看出，考虑动水压力的作用增大了墩顶位移的最大响应值，并且使墩顶最大位移发生的时刻也有所改变；对比顺桥向和横桥向两图，动水压力对顺桥方向桥墩墩顶位移的影响明显大于横桥方向。
4、非线性地震响应分析
为了分析处于深水中的桥梁水对桥墩非线性地震响应的影响，采用Perform-3D分别建立无水和有水两种计算模型。桥墩采用纤维模型，桥墩的纤维划[7，8]分见图3。
为了分析动水压力对深水桥梁的非线性的地震响应的影响，现将非线性计算得到的沿顺桥方向桥墩主要截面的最大曲率响应列于表4，1号桥墩在EL-CENTRO地震作用下墩底的滞回曲线如图4所示。
1）无水
2）有水
图4 1号桥墩墩底弯矩-曲率滞回曲线
从1号桥墩主要截面的最大曲率响应可以看出，考虑了动水压力后，在顺桥向地震作用下，桥墩的最大曲率响应有一定的增加，增幅为10%-20%。
结论：
（1）考虑水对桥墩的影响，动水压力减小了桥梁的自振频率，增大了桥墩的地震响应值，改变了地震最大响应值发生的时刻；
（2）对比动水压力对桥墩剪力和桥墩弯矩的影响，相同情况下，动水压力对墩底剪力的影响要大于对墩底弯矩的影响；对比墩顶内力和墩底内力的影响，相同情况下，动水压力对墩底内力的影响大于对墩顶内力的影响。
（3）桥墩进入非线性后，应采用非线性分析的方法考虑深水桥墩的地震响应。
参考文献：
[1]江辉，楚芹，王宝喜。近远场地震下深水桥墩动力响应特性对比研究[J].振动与冲击，2014，22：58-66
[2]曾金明，张洁.基于流固耦合方法的深水桥墩地震响应分析[J].中外公路，2014，02-0165-06.
[3]黄信，李忠献.动水压力作用对深水桥墩地震响应的影响[J].土木工程学报，2011，01-0066-09.
[4]Morison J ，O'Brien M，Johnson J，et al."The Force Exerted by Surface Wave on Piles"，Petroleum Transactions.AIME，1950，189：149-154.
[5]张洁，朱东生，张永水，等.考虑动水压力作用的深水桥墩地震响应分析[J].重庆交通大学学报，2012，3：357-361
【关键词】深水桥梁；动水压力；非线性；地震响应
很多学者都对处于深水中的桥梁进行大量的研究，江辉[1]采用基于流固耦合理论的势流体的计算方法对近、远场地震作用下等效单墩结构振动特性及动力响应进行对比分析。曾金明[2] 采用FSI流固耦合方法分析了深水桥墩的地震响应，并对影响地震响应的水深、水域面积及壁厚等因素进行分析；黄信[3]分别采用Morison方程和辐射波浪理论分析动水压力对桥墩地震响应的影响。本文以一深水桥梁为研究对象，考虑动水压力对深水桥墩的线性和非线性地震响应影响。
1、工程概况
岩湾河大桥主桥跨径布置为（95+180+95）m，桥面宽度为12.25m，主梁采用变高度预应力混凝土单箱单室箱梁，箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8次抛物线变化。主桥桥墩采用双肢矩形空心墩，桥墩沿顺桥宽度为3.5m，沿横桥宽度为9.0m，壁厚均为0.9m，肢间净距7.0m；墩高为80m。本文以岩湾河大桥为研究对象，采用Morison[4，5]方程考虑动水压力，计算了深水桥墩的地震响应。采用有限元程序Ansys对全桥建立三维空间有限元模型，无水和有水时（水深为64m）的有限元模型图如图1。
（a）无水
（b）有水
2、动力特性计算
分别计算出不考虑水作用以及采用Morison方程考虑动水压力时桥梁的自振频率。表1列出了两种情况下前20阶桥梁的自振频率及自振周期。
在同一阶振型下，有水时的自振频率均小于无水状态下的自振频率。无水时，该桥的第一阶自振频率为0.2747Hz，考虑水对桥墩的影响后桥梁的自振频率为0.2519 Hz，比无水时下降了。
3、线性地震响应分析
选择了El-Centro地震波、Mexico地震波和Taft地震波进行输入[6]，对岩湾桥进行地震响应分析。表2和表3分别列出了El-Centro地震波作用下顺桥向、横桥向桥墩墩顶和墩底内力响应值。
由表2和表3可知，以1号桥墩为例，相对于无水情况，有水时的桥墩沿着顺桥方向墩顶剪力的增加量为252kN；增长率为5.17%；墩顶弯矩的增加量为3509kN.m；增长率为3.56%；墩底剪力的增加量为999kN；增长率为15.14%；墩底弯矩的增加量为24898kN.m；增长率为4.75%。
由上述分析可知，（1）相对于无水，动水压力增大了深水桥墩地震响应值的影响；（2）对比动水压力对桥墩剪力和桥墩弯矩的影响，相同情况下，动水压力对墩底剪力的影响要大于对墩底弯矩的影响；（3）对比墩顶内力和墩底内力的影响，相同情况下，动水压力对墩底内力的影响大于对墩顶内力的影响。
（a）顺桥向
（b）横桥向
图2 1号桥墩墩顶位移时程曲线
图2为1号桥墩墩顶位移时程曲线。从图2可以看出，考虑动水压力的作用增大了墩顶位移的最大响应值，并且使墩顶最大位移发生的时刻也有所改变；对比顺桥向和横桥向两图，动水压力对顺桥方向桥墩墩顶位移的影响明显大于横桥方向。
4、非线性地震响应分析
为了分析处于深水中的桥梁水对桥墩非线性地震响应的影响，采用Perform-3D分别建立无水和有水两种计算模型。桥墩采用纤维模型，桥墩的纤维划[7，8]分见图3。
为了分析动水压力对深水桥梁的非线性的地震响应的影响，现将非线性计算得到的沿顺桥方向桥墩主要截面的最大曲率响应列于表4，1号桥墩在EL-CENTRO地震作用下墩底的滞回曲线如图4所示。
1）无水
2）有水
图4 1号桥墩墩底弯矩-曲率滞回曲线
从1号桥墩主要截面的最大曲率响应可以看出，考虑了动水压力后，在顺桥向地震作用下，桥墩的最大曲率响应有一定的增加，增幅为10%-20%。
结论：
（1）考虑水对桥墩的影响，动水压力减小了桥梁的自振频率，增大了桥墩的地震响应值，改变了地震最大响应值发生的时刻；
（2）对比动水压力对桥墩剪力和桥墩弯矩的影响，相同情况下，动水压力对墩底剪力的影响要大于对墩底弯矩的影响；对比墩顶内力和墩底内力的影响，相同情况下，动水压力对墩底内力的影响大于对墩顶内力的影响。
（3）桥墩进入非线性后，应采用非线性分析的方法考虑深水桥墩的地震响应。
参考文献：
[1]江辉，楚芹，王宝喜。近远场地震下深水桥墩动力响应特性对比研究[J].振动与冲击，2014，22：58-66
[2]曾金明，张洁.基于流固耦合方法的深水桥墩地震响应分析[J].中外公路，2014，02-0165-06.
[3]黄信，李忠献.动水压力作用对深水桥墩地震响应的影响[J].土木工程学报，2011，01-0066-09.
[4]Morison J ，O'Brien M，Johnson J，et al."The Force Exerted by Surface Wave on Piles"，Petroleum Transactions.AIME，1950，189：149-154.
[5]张洁，朱东生，张永水，等.考虑动水压力作用的深水桥墩地震响应分析[J].重庆交通大学学报，2012，3：357-361