地震与波浪联合作用下深水组合桥墩的动力响应分析

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坐落于地震多发地区的跨海深水桥墩往往同时受到地震与波浪作用。由于地震起振时刻、作用方向的不确定性,导致地震与波浪共同作用期间产生了不同的相位差和斜交角,而目前这两者对结构动力响应影响的大小和规律尚不明晰;加之地震与波浪间的耦合作用导致两者单独作用下的动水压力不可直接叠加,因此在分析其动力响应时应考虑耦合作用的影响。本文以组合桥墩为例,采用理论推导、数值模拟和简化模型的方式,分析地震—波浪耦合作用下不同相位差、斜交角的桥墩动力响应。主要研究工作和创新成果如下:
  (1)基于扩展Morison方程推导得到地震与波浪耦合作用和线性叠加作用下的结构动力响应理论解,对比发现:两者大小近似相等,即地震与波浪间的耦合作用对结构动力响应影响不大。
  (2)建立地震—波浪耦合作用下深水桥墩流固耦合模型,研究相位差、斜交角对桥墩动力响应的影响,分析不同相位差、斜交角下波浪作用和地震与波浪间的耦合作用对动力响应的影响规律。结果表明:相位差和斜交角均对桥墩动力响应幅值影响显著,最大可达73.49%和69.04%;波浪作用使地震响应幅值可能增大也可能减小,其影响范围远大于耦合作用;当动力响应幅值较小时,耦合作用的影响较大,最高可达25%左右。反之,当动力响应幅值较大时,耦合作用的影响在10%以内。
  (3)综合考虑相位差和斜交角的概率组合,利用MATLAB软件,提出最不利工况的计算方法及其适用条件。结果表明:最不利工况的取值与地震频率、桥墩水下基频、桥墩结构形式和桥墩截面形状密切相关,与PGA和波高大小关联不大。提出了耦合作用折算系数的概念,为计算不同超越概率下的动力响应幅值提供了一种准确简便的计算方法。通过大量的数值分析,发现耦合作用折算系数在0.9~1.1之间波动。
  (4)建立地震—波浪联合作用下桥墩动力响应的简化分析方法,研究深水组合桥墩在弹性、弹塑性阶段的动力响应受动水压力的影响规律以及简化方法在不同参数条件下的适用性。结果表明:动水压力影响的大小与响应指标、地震波类型、结构状态、波高和水深比有关;简化方法的误差在10%以内,其计算精度与结构状态、水深比、桥墩长细比、动水压力的影响大小有关。
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