波浪與地震作用下橋梁下部結構的動態損傷分析

池澤揚 徐俊 楊哲

【摘 要】橋梁下部結構不僅會受到波浪作用，同時還需要預防地震作用，因此研究地震和波浪聯合作用對橋梁下部結構動力響應的影響具有重要意義。該文采用Morison方程來研究波浪作用，并利用輻射波浪理論求解橋墩地震動水壓力，建立地震和波浪聯合作用下的深水橋梁動力響應分析方法。分析得到，地震動水壓力作用增大了橋梁結構的動力響應；波浪沿橋梁不同方向入射時波浪力對橋梁結構的動力響應影響有所不同，相對地震作用而言波浪影響較小；波浪和地震聯合作用時橋梁結構的動力響應并不是兩者單獨作用下動力響應幅值的簡單累加。由此得出結論：深水橋梁動力響應分析應合理考慮地震和波浪作用。

【關鍵詞】橋梁；地震作用；波浪作用

一、國內外發展狀況

隨著我國經濟建設的迅猛發展，陸島交通的問題日益顯現，橋梁建設也正從跨越江河和內海向跨越外海、海峽發展。由于跨海大橋的基礎是建造在浩瀚大海的海底，施工具有很大的難度。因此減少橋梁基礎的數量，常常是跨海大橋極力追求的。減少跨海大橋的基礎數量，必須要以特大跨度的橋梁上部結構一大跨度橋式的配合和支持。懸索橋和斜拉橋兩種橋式滿足以上條件。這些跨海峽橋梁不但跨徑大，而且橋位處水深海洋環境因素復雜。臺風及臺風掀起的巨浪破壞力極大。因此，考慮臺風以及臺風掀起巨浪這種破壞性環境荷載的實際動力特征、隨機性和耦合性，發展波浪作用下結構的隨機響應分析方法，對跨海峽橋梁的設計和建造來說有著重要的意義。

二、波浪作用

與波長相比尺度較小的細長柱體的波浪力計算，在工程中廣泛采用Morison方程。Morison等人認為，作用于結構上的水平波力FH包括兩個部分：一是波浪水質點運動的水平速度u引起對柱體的水平拖曳力FD，另一是波浪水質點運動的水平ü加速度引起的對柱體的水平慣性力F1。又認為波浪作用在柱體上的拖曳力的模式與單向定常水流作用在柱體上的拖曳力模式相同。

作用于直立柱體任意高度z處單位高度

三、地震動水壓力與地震與波浪聯合作用

地震作用下深水橋墩地震動水壓力求解主要利用輻射波浪理論，采用柱坐標系or？茲z，使or？茲在水底，oz軸通過柱體中心并且向上為正。假定水體無旋不可壓縮，令速度勢空間因子為？覫（r，？茲，z），將？覫（r，？茲，z）代入Laplace方程得到方程：

同時，整個水體的底面、表面以及水體與橋墩交界面處還要滿足相應的邊界條件，其中水與結構交界面處的邊界條件如下：

利用上述控制方程及邊界條件可求解得到速度勢，通過Bernoulli方程可由速度勢求得單位高度橋墩地震動水壓力：

式中：F為地震動水壓力；X為橋墩結構的位移；a為橋墩半徑；h為水深。

將上述橋墩地震動水壓力和波浪力代入橋梁結構的動力方程，得到：

此時便可進行地震和波浪聯合作用下的深水橋梁結構動力響應分析。

四、結論

（一）地震作用下深水橋梁動力響應分析

地震動水壓力作用的影響主要是增大了橋梁結構的動力響應，同時其影響隨輸人地震波、橋墩與上部箱梁約束條件不同而有所差異。

（二）波浪作用下深水橋梁動力響應分析

（1）波浪作用下橋墩結構的動力響應比地震作用下結構動力響應小。

（2）波浪沿縱向作用時橋墩位移響應遠大于波浪沿橫橋向作用時的位移響應。

（三）地震和波浪聯合作用下深水橋梁動力響應分析

（1）考慮地震動水壓力時橋梁上部箱梁結構動力響應較不考慮地震動水壓力而言有所變化；動水壓力作用增大了橋墩結構的動力響應。

（2）波浪沿橋梁不同方向入射時波浪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。

（3）深水橋梁動力響應分析考慮地震和波浪聯合作用時，由于兩者單獨作用下的動力響應峰值并不出現在同一時刻，其動力響應幅值并不是地震和波浪單獨作用下的動力響應幅值的簡單累加。

五、措施

（1）在設計時應投入充足的精力。一方面要保證結構設計合理；另一方面完善計算和設計，充分考慮施工方法、順序和施工荷載等對結構性能的影響。

（2）合理選用水泥、砂子、石子等建筑材料，對不合格的原材料堅決拒之門外；優化混凝土配合比；提高施工質量，對施工人員進行專業化培訓，杜絕在施工過程中出現野蠻施工的現象；加強混凝土后期養護。

（3）加強對超載現象的控制，加強養護工作，及時發現問題，及時解決問題。

參考文獻：

[1]項海帆.沿海高等級公路上的跨海大橋工程.同濟大學學報，1998，26（2），109-113