地震作用下動(dòng)水壓力對(duì)矩形空心橋墩影響論文

淺析地震作用下動(dòng)水壓力對(duì)矩形空心橋墩的影響【摘要】深水橋梁在地震荷載作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，橋墩水下部分與周?chē)w(外域)、內(nèi)部水體(特指空心墩，稱(chēng)為內(nèi)域)之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致橋墩受到動(dòng)水力的作用。利用半解析方法，將橋墩上的動(dòng)水力轉(zhuǎn)化為動(dòng)水附加質(zhì)量的形式，近似求解地震作用下矩形空心墩與水相互作用問(wèn)題?！娟P(guān)鍵詞】地震作用；動(dòng)水壓力；空心橋墩0.引言目前橋梁建設(shè)項(xiàng)目在朝著更大跨度發(fā)展的同時(shí)，也出現(xiàn)了越來(lái)越多的深水橋梁，即部分橋墩和基礎(chǔ)位于深水中的橋梁。而我國(guó)是一個(gè)多地震的國(guó)家，境內(nèi)地震帶及地震斷層較多，一些大型橋梁很可能跨越斷層或鄰近斷層。在地震作用下，處于深水中的矩形橋墩會(huì)與周?chē)w(外域)、內(nèi)部水體(特指空心墩，稱(chēng)為內(nèi)域)之間相互作用，且這種作用伴隨地震動(dòng)作用過(guò)程的始終，并改變橋梁墩身的振動(dòng)和變形狀態(tài)。在這種情況下，本文利用半解析方法，計(jì)算分析地震作用下內(nèi)外域水對(duì)矩形空心墩的影響[1]～[2]。1.分析方法半解析法對(duì)于動(dòng)水壓力用解析解表示，結(jié)構(gòu)一般采用傳統(tǒng)的梁?jiǎn)卧M(jìn)行有限元分析，既具有較高的精度又有很高的計(jì)算效率，是深水橋梁地震響應(yīng)分析更為實(shí)用的分析方法。半解析法中的關(guān)鍵是流體附加動(dòng)水壓力的求解，當(dāng)求解得到橋墩的附加動(dòng)水壓力后，便可轉(zhuǎn)化為附加質(zhì)量施加至橋梁有限元模型中，就能考慮在地震荷載作用下，水對(duì)橋墩的影響。當(dāng)橋墩為矩形空心墩時(shí)，橋墩內(nèi)部會(huì)注入水，因此橋墩存在內(nèi)域水體附加動(dòng)水壓力和外域水體附加動(dòng)水壓力的兩類(lèi)問(wèn)題。關(guān)于內(nèi)外域動(dòng)水壓力的解析方程，文獻(xiàn)[6]有詳細(xì)介紹，在此本文就不作介紹。需強(qiáng)調(diào)的是，在采用半解析法求解時(shí)，最為關(guān)鍵的是求得橋墩水下部分沿橋墩節(jié)點(diǎn)分布的附加動(dòng)水質(zhì)量和動(dòng)水附加阻尼。對(duì)于附加阻尼力，當(dāng)結(jié)構(gòu)與水發(fā)生共振時(shí)，其對(duì)結(jié)構(gòu)振幅有較大影響，但在通常情況下，二者發(fā)生大位移共振的可能性甚微。從實(shí)際應(yīng)用考慮，對(duì)于深水橋梁的抗震計(jì)算，可以不考慮阻尼項(xiàng)作用，這種簡(jiǎn)化帶來(lái)的誤差是微小的。所以在求得附加動(dòng)水質(zhì)量后，可采用傳統(tǒng)的梁模型進(jìn)行深水橋梁的地震響應(yīng)分析[3]～[7]。2.工程實(shí)例某大橋主墩墩高分別為55m、86m、120m和56m，墩編號(hào)從左向右分別是1、2、3、4號(hào)，都為雙薄壁等截面矩形空心橋墩。1，4號(hào)墩的外截面為3.65m×8.5m，內(nèi)截面為2.25m×7.1m，倒角為0.2m×0.2m；2，3號(hào)墩的外截面為4m×8.5m，內(nèi)截面為2.6m×7.1m，倒角為0.2m×0.2m。當(dāng)水庫(kù)蓄水時(shí)，四個(gè)橋墩的埋沒(méi)深度分別為41m，76m，106m，44m。2.1計(jì)算模型采用有限元程序midas/civil對(duì)全橋建立三維空間有限元模型,全橋共用861個(gè)梁?jiǎn)卧?。橋梁端部約束豎向位移、橫向位移和繞橋軸向的扭轉(zhuǎn)。主梁采用c55混凝土，主墩采用c50混凝土。主梁底部按1.8次拋物線變化。二期恒載用節(jié)點(diǎn)質(zhì)量模擬。建立模型時(shí)以縱橋向?yàn)閤軸，以橫橋向?yàn)閥軸，以豎橋向?yàn)閦軸。2.2自振特性計(jì)算在進(jìn)行線性時(shí)程分析時(shí)，輸入50年10%超越概率的加速度時(shí)程，分析方法采用線性直接疊加法，各階模態(tài)阻尼比均取0.05。表2.1列出了該橋在無(wú)水中以及在水深110米時(shí)只考慮內(nèi)域水、只考慮外域水和同時(shí)考慮內(nèi)外域水四種情況下前10階振型的自振頻率。表2.1全橋在各種狀態(tài)下動(dòng)力特性描述由分析結(jié)果可看出，考慮內(nèi)外域水附加質(zhì)量影響后，連續(xù)剛構(gòu)橋的自振特性有明顯變化，結(jié)構(gòu)在無(wú)水、內(nèi)域水、外域水和內(nèi)外域組合水四種狀態(tài)下的自振頻率呈遞減趨勢(shì)，這與動(dòng)水附加質(zhì)量收斂于結(jié)構(gòu)排開(kāi)水體體積質(zhì)量的觀點(diǎn)吻合。2.3計(jì)算結(jié)果分析采用影響系數(shù)r來(lái)表示動(dòng)水對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)最大值的影響程度，分別用r■■、r■、r■、r■表示動(dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)位移、軸力、剪力和彎矩的影響率。定義如下：r■■=■×100%r■=■×100%r■=■×100%r■=■×100%即結(jié)構(gòu)在水中地震響應(yīng)最大值的增幅。表2.2-2.5列出了空心橋墩墩頂處在內(nèi)域水、外域水以及內(nèi)外域水組合的情況下地震響應(yīng)的影響系數(shù)。表2.2橋梁墩頂位移ux在各種狀態(tài)下的ru表2.3橋梁墩頂軸力n在各種狀態(tài)下的rn表2.4橋梁墩頂剪力fz在各種狀態(tài)下的rf表2.5橋梁墩頂彎矩mz在各種狀態(tài)下的rm從結(jié)果中可以看出，在地震激勵(lì)作用下，分別計(jì)入內(nèi)、外域水時(shí)，二者的位移影響系數(shù)和內(nèi)力影響系數(shù)均較為接近，雖然外域水的影響較內(nèi)域水要大，但二者的影響在同一數(shù)量級(jí)，因此在計(jì)算深水橋梁的地震響應(yīng)時(shí)內(nèi)域水和外域水的影響都是不可忽略的。至于外域水的影響總是大于內(nèi)域水，是因?yàn)橥庥蛩母郊淤|(zhì)量沿水深的變化總是漸近于橋墩的排水量，而內(nèi)域水的附加質(zhì)量總是漸近于內(nèi)域水的質(zhì)量，因此外域水的質(zhì)量必然大于內(nèi)域水，外域水的影響必然大于內(nèi)域水。由同時(shí)計(jì)入內(nèi)、外域水時(shí)的中墩響應(yīng)可以看出，同時(shí)計(jì)入內(nèi)、外域水時(shí)的影響幅度并不等于分別計(jì)入內(nèi)、外水的影響幅度之和。這表明，要得到正確的深水橋梁地震響應(yīng)，必須同時(shí)考慮內(nèi)、外域水的影響。究其原因，墩-水耦合振動(dòng)的影響可通過(guò)動(dòng)水附加質(zhì)量的方式來(lái)計(jì)算，其影響可歸結(jié)為內(nèi)、外域水對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的改變，從單自由度結(jié)構(gòu)自振頻率的計(jì)算公式ω=■看出，頻率的變化并不與質(zhì)量的變化成線性關(guān)系，而且結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與結(jié)構(gòu)的自振頻率間也不存在線性關(guān)系，因此內(nèi)、外域水的影響不可能滿(mǎn)足疊加原理。3.結(jié)論(l)內(nèi)域水和外域水對(duì)中墩的位移和內(nèi)力響應(yīng)均有較大的影響，不可忽略。兩者相比較，外域水的影響較內(nèi)域水要大。(2)內(nèi)、外域水對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響不滿(mǎn)足線性疊加原理，在計(jì)算中必須同時(shí)考慮內(nèi)、外域水的影響?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】［１］項(xiàng)海帆．沿海高等級(jí)公路上的跨海大橋工程．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)．1998.［２］賴(lài)偉．地震和波浪作用下深水橋梁的動(dòng)力響應(yīng)研究．上海：同濟(jì)大學(xué)博士論文．2004.［３］劉振宇，李喬，趙燦暉、陳釩．深水矩形空心橋墩在地震作用下附加動(dòng)水壓力析．journalofvibrationandshockvol.27no.22008.［４］賴(lài)偉、謝凌志、高永昭．矩形空心墩地震動(dòng)水效應(yīng)的求解．四川建筑科學(xué)研究．2007.［５］劉振宇.地震作用下深水橋梁的動(dòng)力響應(yīng)研究