水—橋墩動(dòng)力相互作用機(jī)理及深水橋梁非線性地震響應(yīng)研究.pdf

1、對(duì)于跨江、跨海橋梁及西部庫(kù)區(qū)的高墩深水橋梁，由于橋墩位于深水當(dāng)中，地震作用下水-橋墩動(dòng)力相互作用會(huì)對(duì)橋墩產(chǎn)生動(dòng)水壓力作用。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)強(qiáng)震作用下深水橋梁的地震響應(yīng)尚缺乏深入的研究。本文以深水橋梁為對(duì)象，對(duì)強(qiáng)震作用下深水橋梁地震響應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，從而為深水橋梁地震響應(yīng)的精細(xì)化模擬及基于性能的抗震設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和工程價(jià)值。主要?jiǎng)?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(dòng)水壓力考慮水體壓縮性和自由表面波影響的計(jì)算公式，深入分析了自由表面波和水體壓縮性對(duì)橋墩地震動(dòng)水壓力的影響。研究表明，自由表面波僅在荷載激勵(lì)頻率較低時(shí)影響水面附近的動(dòng)水壓力，對(duì)于實(shí)際橋墩結(jié)構(gòu)而言自由表面波影響并不明顯；水體壓縮性?xún)H在荷載激勵(lì)頻率較高時(shí)影響動(dòng)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(lì)頻率。因此，在深水橋墩地震動(dòng)水壓力計(jì)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(dòng)力響應(yīng)，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(dòng)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(duì)動(dòng)水壓力波的吸收作用。通過(guò)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(dòng)水壓力計(jì)算公式，并分析了水底柔性反射邊界對(duì)橋墩地震動(dòng)水壓力的影響。研究表明，當(dāng)考慮水底柔性介質(zhì)對(duì)動(dòng)水壓力波的吸收作用時(shí)，水底柔性反射邊界會(huì)在特定的荷載激勵(lì)頻

4、率范圍內(nèi)對(duì)橋墩動(dòng)水壓力產(chǎn)生影響，且動(dòng)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(huì)降低動(dòng)水壓力作用，但水底柔性邊界對(duì)動(dòng)水壓力的降低作用不明顯。因此，在深水橋墩地震動(dòng)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(dòng)力相互作用分析方法，并基于ABAQUS軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了動(dòng)水壓力計(jì)算程序，通過(guò)與數(shù)值方法的對(duì)比分析，驗(yàn)證了本文方法的正確性；同時(shí)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(jié)構(gòu)附加質(zhì)量等因素時(shí)動(dòng)水壓力對(duì)深水橋墩地震響應(yīng)的影響。研究表明，動(dòng)水壓力增大了橋墩結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，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(dòng)水壓力對(duì)橋墩地震響應(yīng)的影響明顯，所以當(dāng)橋墩存在內(nèi)域水體時(shí)其內(nèi)域水體的動(dòng)水壓力作用不容忽視；隨著上部結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量的減小，動(dòng)水壓力對(duì)橋墩地震響應(yīng)的影響增大。
　　 (4)建立了考慮地震動(dòng)空間效應(yīng)的深水橋梁地震響應(yīng)分析方法，對(duì)某深水連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行了非線性地震響

6、應(yīng)分析，同時(shí)考慮不同地震動(dòng)輸入機(jī)制，進(jìn)行了一致激勵(lì)、行波激勵(lì)和多點(diǎn)激勵(lì)，研究了動(dòng)水壓力對(duì)深水橋梁地震響應(yīng)的影響。研究表明，動(dòng)水壓力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響主要是增大了橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，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(lì)和多點(diǎn)激勵(lì)時(shí)動(dòng)水壓力對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響較一致激勵(lì)而言有所差異；所以深水橋梁地震響應(yīng)分析應(yīng)考慮動(dòng)水壓力作用，同時(shí)應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地條件采用合適的地震動(dòng)輸入機(jī)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(dòng)力響應(yīng)分析方法，對(duì)某深水橋梁進(jìn)行了地震和波浪聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析。研究表明，當(dāng)波浪沿橋梁不同方向入射時(shí)，波浪作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響有所差異；波浪作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響較地震作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響?。簧钏畼蛄簞?dòng)力響應(yīng)分析中考慮地震和波浪聯(lián)合作用時(shí)，由于兩者單獨(dú)作用下的動(dòng)力響應(yīng)峰值并不出現(xiàn)在同一時(shí)刻，所以橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)幅值并不是地震和波浪分別

8、作用下的動(dòng)力響應(yīng)幅值的疊加。
　　 (6)通過(guò)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了水-橋墩的動(dòng)力相互作用，并基于對(duì)模型試驗(yàn)的數(shù)值分析，驗(yàn)證了本文所建立水-橋墩動(dòng)力相互作用分析方法的正確性。按動(dòng)力相似原理進(jìn)行模型設(shè)計(jì)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(shí)際水域?qū)?dòng)水壓力波的耗散作用，在地震模擬振動(dòng)臺(tái)上對(duì)橋墩模型進(jìn)行動(dòng)力特性及正弦波和地震波作用下的動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)，同時(shí)分析水底柔性反射邊界的影響。研究表明，地震動(dòng)水壓力減小了橋墩結(jié)構(gòu)的自