考虑地震动水力的高速铁路跨海斜拉桥减震控制研究

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α位于深水环境的跨海斜拉桥,地震作用会诱发显著的地震动水力,地震动水力对其减震控制效果的影响不容忽视。本文以某主跨400m的高速铁路跨海斜拉桥为例,基于辐射波浪理论推导了不同截面尺寸构件的地震动水力解析解,比选出适用于高桩承台群桩基础的动水力附加质量计算组合,建立了考虑地震动水力的水-结构相互作用模型。采用OpenSees分别建立了考虑、不考虑地震动水力的有限元模型,探究了地震动水力对桥梁动力响应的影响机理。采用黏滞阻尼器建立桥梁减震体系,对比分析了地震动水力对黏滞阻尼器减震效果的影响,并提出参数优化原则及推荐参数范围。主要研究内容和具体结论如下:(1)将不同截面尺寸构件的地震动水力简化模型相互组合,拟定4套地震动水力计算方案。以一座桥塔作为研究对象,通过对比其自振特性及地震动力响应结果,比选出适用于高桩承台群桩基础的地震动水力简化计算模型。结果表明:群桩部分动水力附加质量采用Yang提出的简化公式计算,矩形承台动水力附加质量采用Wang提出的简化公式计算的桥塔结构,其前50阶频率平均误差率及基频误差率最低,分别仅有8.05%、0.05%;并且其塔顶位移与塔底弯矩动力响应幅值误差率最低,分别为0.41%和0.1%。(2)根据工程背景,采用Midas Civil及OpenSees建立该桥脊梁式动力分析模型。结构自振特性分析表明,该桥基频较低且基本振型为主梁纵飘,符合半漂浮体系斜拉桥特征,初步验证了有限元模型的正确性。探究了地震动水力对桥梁自振特性的影响,结果表明:同一振型的自振频率较不考虑地震动水力时降低了1%~15%。经验证,本文地震动水力模拟是有效的。(3)基于OpenSees全桥有限元模型,将地震波分别沿桥梁纵向、横向输入,分析了地震动水力对斜拉桥主梁、主塔动力响应的影响,并探究了其影响机理。结果表明:地震动水力显著增大了全桥各关键截面的动力响应。其中,主梁梁端纵向位移幅值、主跨跨中横向位移幅值分别约为无水时的2.34倍和4.5倍。主塔塔顶纵、横向位移幅值分别是无水时的2.05倍和3.12倍。塔底横剪力平均幅值是无水时的2.7倍。主塔塔底截面纵、横向弯矩幅值分别约为无水时的2.3倍和2.83倍。(4)考虑地震动水力的跨海斜拉桥,桥梁纵向采用桥塔阻尼体系主梁位移减震率可达45%,同时也较为经济;桥梁横向采用辅助墩阻尼体系,主跨跨中横向位移减震率最高可达50%。考虑多级设防水准,分析了地震动水力对黏滞阻尼器减震效果的影响,提出了“先定阻尼常数C,后选阻尼指数α”的阻尼器参数选取原则。依据该原则,推荐纵向阻尼器阻尼常数C宜控制在4000~6000 k N·(m/s)-α,阻尼指数α宜控制在0.5~0.7;横向阻尼器阻尼常数C宜控制在5000~6000 k N·(m/s)-α,阻尼指数α宜控制在0.6~0.7。
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