水—橋墩動力相互作用機理及深水橋梁非線性地震響應研究.pdf

1、對于跨江、跨海橋梁及西部庫區(qū)的高墩深水橋梁，由于橋墩位于深水當中，地震作用下水-橋墩動力相互作用會對橋墩產(chǎn)生動水壓力作用。然而，目前國內(nèi)外對強震作用下深水橋梁的地震響應尚缺乏深入的研究。本文以深水橋梁為對象，對強震作用下深水橋梁地震響應進行系統(tǒng)的理論分析與振動臺試驗，從而為深水橋梁地震響應的精細化模擬及基于性能的抗震設計提供堅實的理論基礎，具有重要的理論意義和工程價值。主要創(chuàng)新工作和研究成果如下：
　　 (1)基于輻射波浪理論，

2、采用分離變量法，建立了深水橋墩地震動水壓力考慮水體壓縮性和自由表面波影響的計算公式，深入分析了自由表面波和水體壓縮性對橋墩地震動水壓力的影響。研究表明，自由表面波僅在荷載激勵頻率較低時影響水面附近的動水壓力，對于實際橋墩結構而言自由表面波影響并不明顯；水體壓縮性僅在荷載激勵頻率較高時影響動水壓力，而地震作用的主要頻率小于使水體壓縮性產(chǎn)生明顯影響的荷載激勵頻率。因此，在深水橋墩地震動水壓力計算中，可忽略自由表面波和水體壓縮性的影響，可利用

3、附加質(zhì)量概念，分析深水橋墩在地震作用下的動力響應，且附加質(zhì)量隨著橋墩截面半徑和水深的增加而增大。
　　 (2)深水橋墩地震動水壓力分析中一般假定水底為完全剛性反射邊界，而忽略水底柔性介質(zhì)對動水壓力波的吸收作用。通過引入水底反射系數(shù)建立了深水橋墩考慮水底柔性反射邊界影響的地震動水壓力計算公式，并分析了水底柔性反射邊界對橋墩地震動水壓力的影響。研究表明，當考慮水底柔性介質(zhì)對動水壓力波的吸收作用時，水底柔性反射邊界會在特定的荷載激勵頻

4、率范圍內(nèi)對橋墩動水壓力產(chǎn)生影響，且動水壓力隨著水底反射系數(shù)的減小而變??；盡管考慮水底柔性邊界條件后會降低動水壓力作用，但水底柔性邊界對動水壓力的降低作用不明顯。因此，在深水橋墩地震動水壓力分析中可以忽略水底柔性反射邊界的影響。
　　 (3)建立了地震作用下水-橋墩動力相互作用分析方法，并基于ABAQUS軟件平臺開發(fā)了動水壓力計算程序，通過與數(shù)值方法的對比分析，驗證了本文方法的正確性；同時分析了考慮不同頻譜特性地震波輸入、空心墩體

5、內(nèi)域水體和橋梁上部結構附加質(zhì)量等因素時動水壓力對深水橋墩地震響應的影響。研究表明，動水壓力增大了橋墩結構的地震響應，其影響隨著輸入地震波的不同而有所差異；空心截面橋墩內(nèi)域水體的動水壓力對橋墩地震響應的影響明顯，所以當橋墩存在內(nèi)域水體時其內(nèi)域水體的動水壓力作用不容忽視；隨著上部結構附加質(zhì)量的減小，動水壓力對橋墩地震響應的影響增大。
　　 (4)建立了考慮地震動空間效應的深水橋梁地震響應分析方法，對某深水連續(xù)剛構橋進行了非線性地震響

6、應分析，同時考慮不同地震動輸入機制，進行了一致激勵、行波激勵和多點激勵，研究了動水壓力對深水橋梁地震響應的影響。研究表明，動水壓力對橋梁結構地震響應的影響主要是增大了橋梁結構的動力響應，其影響程度隨著輸入地震波、墩梁約束條件的不同而變化；考慮行波激勵和多點激勵時動水壓力對橋梁動力響應的影響較一致激勵而言有所差異；所以深水橋梁地震響應分析應考慮動水壓力作用，同時應根據(jù)場地條件采用合適的地震動輸入機制。
　　 (5)采用Moriso

7、n方程和繞射波浪理論考慮不同尺度橋墩的波浪作用，建立了波浪作用下深水橋梁動力響應分析方法，對某深水橋梁進行了地震和波浪聯(lián)合作用下的動力響應分析。研究表明，當波浪沿橋梁不同方向入射時，波浪作用對橋梁結構的動力響應影響有所差異；波浪作用對橋梁結構動力響應的影響較地震作用對橋梁結構動力響應的影響小；深水橋梁動力響應分析中考慮地震和波浪聯(lián)合作用時，由于兩者單獨作用下的動力響應峰值并不出現(xiàn)在同一時刻，所以橋梁結構的動力響應幅值并不是地震和波浪分別

8、作用下的動力響應幅值的疊加。
　　 (6)通過模型振動臺試驗，研究了水-橋墩的動力相互作用，并基于對模型試驗的數(shù)值分析，驗證了本文所建立水-橋墩動力相互作用分析方法的正確性。按動力相似原理進行模型設計并采用自制的加重橡膠作為模型材料，利用吸波材料模擬實際水域?qū)铀畨毫Σǖ暮纳⒆饔茫诘卣鹉M振動臺上對橋墩模型進行動力特性及正弦波和地震波作用下的動力響應試驗，同時分析水底柔性反射邊界的影響。研究表明，地震動水壓力減小了橋墩結構的自