深水桥墩地震响应研究现状与展望

分析了地震激励下水-深水桥墩动力相互作用, 总结了动水压力作用机理、地震动水压力的计算方法和水-结构动力相互作用分析方法, 研究了深水桥墩地震响应特征和影响因素以及水下振动台试验进展, 并对比了各国规范中动水压力计算方法。研究结果表明: 动水压力降低桥墩自振频率, 增大桥墩地震响应, 其影响在桥梁的抗震设计中不可忽略; 现有研究采用的桥墩形式较为简化和单一, 建议开展更多以桥墩体系、桥梁体系为对象的深水桥梁地震响应研究; 对于地震作用下动水压力计算, 目前各国规范多基于Morison方程, 但对其适用范围尚不明确, 应深入研究Morison方程的适用范围、修正方法与准确便捷的地震动水压力计算方法; 目前水下振动台试验大多集中在动水压力对桥梁下部墩桩地震响应的影响上, 响应大多在弹性范围内, 应进一步研究在大震作用下深水桥墩的非线性响应与破坏模式; 目前针对深水桥墩在地震和波浪联合作用下的动力响应研究较少, 应深入研究在地震、波浪、海流联合作用下深水桥墩与水的相互作用机理; 目前缺乏对全桥结构的地震响应研究, 应开展深水桥梁全桥分析与多子台水下振动台试验。      

圆形空心深水桥墩在地震作用下的附加动水压力

基于辐射波浪理论建立了圆形空心桥墩流体控制方程;以自由表面波动条件、水底水质点运动边界条件和结构与水的速度连续条件为边界条件,采用分离变量法推导了圆形空心桥墩内域水体速度势的一般解,进而导出了圆形空心桥墩内域水体附加动水压力的解析式,对希腊Rion-Antirion Briage桥塔内力响应的计算结果表明,附加动水压力使桥墩的弯矩和剪力明显增大,内域水对桥墩地震响应的影响不可忽略．     

地震作用下动水压力对深水桥墩的影响

采用Morison方程、Westergarrd方程、流固耦合分析动水压力对桥墩的影响。研究发现:随着水深的增加地震响应会增大;流固耦合理论计算得到的结果小于附加质量法得到的结果;当相对水深较小时,Morison方程计算结果偏于保守,相对水深增大,Westergarrd方程计算结果更加保守,且随着水深增大,响应增大较快;水深对墩底弯矩的影响小于对墩底剪力的影响。     

动水压力影响下考虑SSI效应的桥墩结构地震响应分析

基于Morison方程法,采用附加质量考虑动水压力的影响,利用ABAQUS软件计算平台建立了动水压力作用下刚性地基桥墩和考虑SSI效应的桥墩结构,对动水压力作用下考虑和不考虑SSI效应时桥墩的地震响应进行了比较,分析了考虑SSI效应的桥墩的地震响应随水深的变化规律。结果表明:动水压力作用会增大桥墩的地震响应,其受桥墩入水深度的影响;当考虑SSI效应后,动水压力作用对桥墩自振频率折减和地震响应增大作用有所降低,但仍不能忽视动水压力作用。     

考虑动水压力作用的深水桥墩地震响应分析

采用附加质量的形式考虑动水压力对桥墩的影响,以ANSYS有限元软件为计算平台,建立单墩模型并进行深水桥墩地震响应分析。得出动水压力改变桥墩的地震反应特性,增大了桥墩墩顶位移和墩底内力,并且动水压力作用还与结构本身质量和周期有关等结论。通过对连续梁桥和连续刚构桥的分析,验证了动水压力作用与结构固有周期有关,随着固有周期的增大,动水压力对结构的影响越小。     

深水桥梁墩水耦合抗震分析方法

为正确采用动水压力计算方法,提出了一种新的深水桥梁墩水耦合计算方法结合法,即将Morison方程与计算流体力学相结合,分析深水桥梁墩水耦合抗震问题.ANSYS-CFX模型计算表明:结合法能较好地进行墩水耦合抗震分析;深水环境使墩顶最大弹性位移减小,最大刚体位移增大,结构整体变形增大;刚体运动附加动水力对桥墩起主要作用,但应同时考虑弹性振动引起的动水压力.      

宏基大桥深水高墩大跨连续刚构桥地震响应分析

已有研究表明,深水高桥墩在地震作用下,由于桥墩与水的相对运动,水会对桥墩水下部分产生动水压力．以深水库区主跨为220m,墩高为173m的宏基大桥为例,利用Morison方程所得的圆形墩附加质量公式的矩形修正公式模拟水对桥墩的作用,建立了该桥考虑附加质量影响的变截面三维有限元模型,进行该桥的反应谱和时程反应分析．结果表明由于动水压力的作用,不仅使桥梁结构的自振频率明显降低,而且使梁体和桥墩的位移和内力显著增大．本文研究方法与所得结论可为同类桥梁的抗震设计提供参考．     

深水对高桩承台桥墩地震反应的影响*

介绍了 Morison方程考虑动水压力的方法,并计算出了桥墩各部位的动水附加质量。分析了高桩承台桥墩在不同水深和不同地震作用下动水压力对其地震反应的影响,以某黄河大桥的一个高桩承台桥墩为工程实例,利用纤维模型对其进行非线性时程反应分析。结果表明水的存在对高桩承台桥墩动力特性和地震反应的影响较大,因此在进行桥梁抗震设计时动水压力的影响不可忽略。     

高墩深水大跨度连续刚构桥非一致地震响应分析

讨论了高墩深水大跨度连续刚构桥的地震响应分析。提出一种适用于计算深水桥墩的地震动水压力公式,在有限元模型中采用附加质量的方法计入该作用,并考虑非一致激励和桩土耦合对桥梁结构的作用,并对不考虑动水压力和考虑动水压力工况进行比较。分析表明,考虑动水压力时的地震反应内力和位移比不考虑动水压力时的地震反应内力和位移大。分析结果可以为连续刚构桥的抗震设计提供参考。     

动水压力对连续刚构桥梁地震响应的影响

为了研究地震作用下深水薄壁空心桥墩内外域水体动水压力对连续刚构桥梁动力响应的影响,应用流固耦合有限元理论,考虑重力、纵向预应力和动水压力,建立了庙子坪岷江大桥连续刚构桥梁的计算模型,并采用实测的地震波进行计算.结果表明:动水压力对连续刚构桥梁自振频率和振型的影响不大,前30阶频率降低率最大值约为8％,箱梁各部分横向位移峰值增量在10％～20％之间,主墩内力峰值增量最大值约170％,箱梁内力峰值增量最大值约75％;地震加速度、桥墩入水深度是影响动水压力的重要因素.     

波流与地震共同作用下深水桥墩动力响应分析

为了揭示深水环境中波流与地震共同作用下桥梁下部结构与水耦合作用机理,基于非线性Morison方程,建立了波浪、水流和地震联合作用下结构动力学方程,通过有限元离散,计算了某深水桩-承台-桥墩结构体系的动力响应,并分析了不同波流要素对该结构体系动力反应的影响.研究结果表明:波流与地震之间存在相互影响,波流对地震响应的影响范围为-31.6%~63.5%,这种影响不仅改变地震响应幅值本身,而且改变幅值出现的时刻,还将使得波流、地震联合作用下流场激励频率介于纯波流场激励频率和地震激励频率之间,因此有必要进行波流与地震的联合作用分析;当波流作用在承台及以上位置时,桥墩的动力响应显著增大,在实际工程建设中须引起重视,有必要选用承台高出水面的高桩承台.      

动水压力对高桩承台连续刚构桥地震反应的影响

以某高桩承台连续刚构桥为工程背景,采用Morison方程计算不同水深时的动水压力,并利用纤维模型对地震作用进行非线性时程反应分析。结果表明：动水压力会改变桥梁的自振特性,随着水深的增加,桥梁地震反应也越来越大,在进行桥梁设计时应考虑动水压力的影响。     

水位变化对水淹拱脚大跨度拱桥动力响应的影响分析

为研究水体-拱圈流固耦合效应对某库区大跨度钢筋混凝土拱桥地震响应的影响,首先基于改进的Morison方程推导了拱圈动水压力的计算公式和流固耦合运动方程,其次根据运动平衡方程分别采用Matlab编程计算和ANSYS有限元模拟的方式研究了该大跨度钢筋混凝土拱桥在死水位、正常蓄水位和洪水位状态下的拱顶加速度响应时程曲线,并分...     

框架式钢管混凝土桥墩非线性地震反应分析

以框架式钢管混凝土桥墩及钢筋混凝土空心薄壁墩为研究对象,采用纤维单元建立了框架式钢管混凝土桥墩及钢筋混凝土空心薄壁墩的非线性动力分析模型,输入3条地震波,计算得到了框架式钢管混凝土桥墩与钢筋混凝土空心薄壁墩的线性及非线性地震时程响应,比较了不同类型桥墩地震响应的差异,讨论了框架式钢管混凝土桥墩的地震反应特点。     

流固耦合作用对深水空心桥墩的自振特性影响研究

根据势流体理论的完全数值法,利用有限元软件ADINA创建了经典的深水圆形空心高墩—水流固耦合数值分析模型,分析考虑桥墩壁厚不同时,内域水、外域水及内外域均有水时不同水位下动水效应对桥墩自振频率的影响规律。研究结果表明:墩-水耦合效应使得桥墩的自振频率均减小,且墩内外域均有水时减小率最大;桥墩壁厚越薄动水效应对桥墩自振频率的影响越大;上部结构质量会减弱墩—水耦合作用对桥墩结构相应频率的影响;当桥墩的入水深度等于桥墩高度的1/2时,桥墩第一阶自振频率减小率很小,但其第三阶自振频率减小率较大。研究成果对于深水桥梁的抗震设计具有借鉴意义。     

液固耦合作用对不同截面深水桥墩的自振特性影响研究

介绍了深水桥墩液固耦合模型在ANSYS软件中模型的建立。利用Morison方程提出的附加质量概念考虑动水压力对桥墩作用,采用3种截面积相等的不同类型桥墩,即淹没水深相同时,所受动水压力相等。利用ANSYS建立实体单元与Fluid30单元来分析液固耦合作用对不同类型桥墩的自振特性影响。通过实例分析发现液固耦合对桥墩自振频率的影响是显著的,桥墩完全被水淹没时,其自振频率最大下降了24.2%。进一步研究发现相同截面面积的不同类型的桥墩,在相同水深时,由于其液固耦合接触面沿坐标轴方向上的正投影面积大小不一样,造成桥墩沿该方向上自振频率下降量大不相同。且沿坐标轴方向正截面面积越大,桥墩沿该轴方向上的弯曲自振频率和扭曲自振频率下降越大。     

基于绕射理论的大尺度桥墩波浪力计算方法

为拓展MacCamy绕射理论在大尺度桥墩波浪力计算方面的适用性,采用数值与解析相结合的方法对大尺度桥墩波浪力的计算模式进行了研究.首先基于数值方法研究了波浪作用下截面尺寸及截面形状对桥墩惯性力系数的影响;然后引入绕射系数对Morison方程进行修正,提出了能够适用于大尺度结构物波浪力计算的修正Morison方程.研究结果表明:相比圆截面桥墩而言,方形截面桥墩的惯性力系数值下降更快,大尺度效应更加明显;通过引入绕射系数修正后的Morison方程用于计算大尺度圆形桥墩波浪力后与数值解更接近;纵向尺寸取0.2倍波长时能较好的计算大尺度方型桥墩波浪力.      

系梁对连续刚构桥抗震性能的影响

为研究系梁对桥墩地震响应的影响,以连续刚构桥为研究对象,基于Perform-3D有限元软件,分别建立无系梁和设置系梁的计算模型,对2种计算模型进行动力特性分析、非线性时程分析。分析结果表明:设置系梁可以提高桥梁整体受力能力,减小桥梁的自振周期,改变桥梁的自振振型;设置系梁可以明显增大系梁处桥墩的地震响应,而对其他部分的墩身影响不明显;随着地震加速度的增大,系梁对桥墩地震响应的影响有增大的趋势。     

大跨度预应力混凝土连续刚构桥动力特性及P-Δ效应分析

以某已建成的连续刚构桥为研究对象,采用Midas/civil 2010有限元程序,建立连续刚构桥有限元模型,分析了连续刚构桥采用钢筋混凝土双薄壁实心墩、双薄壁空心墩和单柱式空心墩三种截面形式的动力特性和分别在纵向地震和横桥向地震作用下结构的P Δ效应。研究结果表明:三种不同截面类型的桥梁自振频率依次增大,不同的桥墩截面形式使桥梁结构的振型序列发生变化;在三种桥墩截面形式下,考虑P-Δ效应后,对纵向地震响应的影响显著而对横向地震响应的影响较小,但P-Δ效应并不影响桥梁结构的时程曲线趋势。     

高速铁路空心高墩日照温度场研究

以高速铁路贵广线某特大桥桥墩为研究对象,通过现场实测桥墩日照温度场和沿墩高方向的日照温度场变化,结合大型通用有限元软件ANSYS建立有限元模型,模拟计算桥墩温度场,并将计算结果与实测温度进行对比分析,证明有限元模型的准确性和ANSYS模拟计算温度场的实用性。最后采用最小二乘法拟合出混凝土空心高墩沿壁厚方向的温度梯度模式,为进一步计算和研究日照温度效应做好准备。