深水對矩形截面高墩橋梁地震響應(yīng)的影響分析

【摘 要】 本文采用基于輻射波浪理論建立的半數(shù)值半解析法，通過對圓形截面附加水質(zhì)量求解方法的簡化，求得矩形截面橋墩的附加水質(zhì)量。對矩形截面6m×6m、8m×8m、10m×10m、12m×12m、15m×15m，水深分別為30m、60m、90m的橋墩進行動水附加質(zhì)量的計算獲得附加水質(zhì)量與橋墩截面尺寸、水深間的關(guān)系。本文計算分析了不同墩高、不同截面的15個單墩模型。每個模型分別考慮了不同水深的5種情況，進行了四種場地條件下的動力時程分析，獲得考慮深水對橋墩地震響應(yīng)的影響，并進行了影響規(guī)律的分析。

【關(guān)鍵詞】 深水橋墩 地震響應(yīng) 附加水質(zhì)量 墩水耦合

1 引言

在地震作用下，水中結(jié)構(gòu)的運動會引起結(jié)構(gòu)周圍水體的輻射波浪運動，由于結(jié)構(gòu)與水的相對運動，水會在結(jié)構(gòu)水下部分作用有動水壓力。該動水壓力不僅會改變結(jié)構(gòu)的動力特性，還會影響結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。本文采用基于輻射波浪理論建立的半數(shù)值半解析法，通過對圓形截面附加水質(zhì)量求解方法的簡化，求得矩形截面橋墩的附加水質(zhì)量，探討深水條件下附加水質(zhì)量對矩形截面高墩橋梁地震響應(yīng)的影響規(guī)律。

2 本文采用的簡化計算方法

2.1 墩水耦合作用計算的基本假定

墩水耦合作用的半數(shù)值半解析法，首先假定流體是不可壓縮的無粘性流體。在此基礎(chǔ)上，分為不考慮表面重力波作用和考慮重力波作用兩種情況。由流體動力學理論，重力波影響隨深度的增加呈指數(shù)關(guān)系衰減，橋墩浸沒深度的大部分不受重力波的影響，因此可以求解忽略表面重力波的情況。

2.2 矩形截面附加水質(zhì)量的簡化計算

簡化計算方法是通過將不同截面等效為圓截面。矩形截面的簡化計算過程為：

（1）將矩形截面等效為橢圓截面

如圖2.1所示，箭頭方向表示振動加速度方向，有

帶符號的表示等效橢圓截面的尺寸，不帶～符號的表示實際截面。

（2）將橢圓截面等效為圓截面，求得長細比

將橢圓截面等效為圓截面的方法為通過（1）中求得的和，查圖2.2或相應(yīng)的表得到長細比。

3 不同截面、不同水深對附加水質(zhì)量的影響

對矩形截面6m×6m、8m×8m、10m×10m、12m×12m、15m×15m，水深分別為30m、60m、90m的橋墩進行動水附加質(zhì)量的計算。獲得如下結(jié)果：

由上圖可知：（1）附加水質(zhì)量在淺水處（水面至0.2倍水深范圍內(nèi)）由0迅速增加到一特定值，隨著水深的進一步增加附加水質(zhì)量的增幅較小，基本保持不變。（2）在水深達到一定值，附加水質(zhì)量保持基本不變后，附加水質(zhì)量的值與橋墩的截面面積成正比。（3）相同截面的橋墩在深水區(qū)的附加水質(zhì)量基本一致，受水深的影響不大，與橋墩截面面積有直接關(guān)系。

4 深水對橋梁地震響應(yīng)的影響

本文計算分析了墩高分別為60m、90m、120m，截面分別為6m×6m、8m×8m、10m×10m、12m×12m、15m×15m的15個單墩模型。每個模型分別考慮了無水、1/4墩高的水深、2/4墩高的水深、3/4墩高的水深、4/4墩高的水深的5種情況。進行了Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類四種場地條件下的動力時程分析。

現(xiàn)選取分析結(jié)果中典型的考慮有水情況與無水情況下橋墩的墩頂位移、墩底剪力和墩底彎矩的時程分析結(jié)果并列出如下：

Ⅰ類場地第1條地震波地震荷載作用下，橋墩模型為120m墩高，12m×12m截面，90m水深與無水時墩頂位移、墩底剪力和墩底彎矩的時程分析結(jié)果見下圖：

由以上可知：（1）考慮附加水質(zhì)量時，在地震荷載作用下橋墩的墩頂位移、墩底剪力和墩底彎矩值均比不考慮附加水質(zhì)量時的大。這主要是由于雖然考慮了附加水質(zhì)量之后，橋墩各階周期有所增大，使得橋墩的地震響應(yīng)有所降低，但附加水質(zhì)量對橋墩在地震荷載作用下響應(yīng)的貢獻直接影響并增大了墩頂位移、墩底剪力和墩底彎矩。（2）考慮附加水質(zhì)量時，在橋墩在地震荷載作用下橋墩墩頂位移時程較不考慮附加水質(zhì)量時稍延后達到位移最大值。

5 結(jié)論

1. 附加水質(zhì)量沿橋墩高度方向的變化趨勢：在淺水處（距水面0.2倍水深范圍內(nèi)），附加水質(zhì)量由0迅速增加到某一特定值，隨著水深的進一步增加附加水質(zhì)量的增幅較小，基本保持不變。在水深達到一定值附加水質(zhì)量保持基本不變后，附加水質(zhì)量的值與橋墩的截面面積成正比。

2.考慮附加水質(zhì)量時，在地震荷載作用下橋墩的墩頂位移、墩底剪力和墩底彎矩值均比不考慮附加水質(zhì)量時的大。

3. 考慮附加水質(zhì)量時，在橋墩在地震荷載作用下橋墩墩頂位移時程較不考慮附加水質(zhì)量時稍延后達到位移最大值。

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