波浪、海流環境中跨海橋梁深水橋墩的地震響應特性

江 輝， 白曉宇， 黃 磊， 李 辰， 孟憲鋒， 楊慶山

(1. 北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044； 2. 中國民航機場建設集團有限公司， 北京 100101；3. 重慶大學 土木工程學院， 重慶 400045)

隨著“一帶一路”、“長江經濟帶”及“西部大開發”等重大發展戰略持續推進，加速了骨干通道和綜合立體交通走廊的建設，使得深水橋梁的建設需求日益旺盛?？绾蛄鹤鳛樯钏畼蛄旱闹匾悇e之一，其建設如火如荼，如已建成的膠州灣跨海大橋、杭州灣跨海大橋、東海大橋、港珠澳跨海大橋等，在建的跨越活動斷層的海南鋪前跨海大橋、平潭海峽公鐵兩用大橋、大連灣跨海交通工程等。此外，已進入可行性建設方案論證階段的瓊州海峽公鐵兩用跨海大橋[1]，以及處于前期探索和研究階段的渤海海峽、臺灣海峽跨海通道等，也引起廣泛的關注。與陸地橋梁相比，跨海橋梁所處的自然環境更加復雜和惡劣，如波浪、海流(后文簡稱波、流)等時變荷載的持續作用，在我國東南沿海等高烈度地震區還面臨地震的嚴重威脅。因此，此類橋梁在波、流環境中的響應特性及其抗震設計是需要研究的重要課題。

近幾十年來，相關學者對于海洋結構物在地震和波浪聯合作用下的動力響應問題先后開展了研究。Yamada等[2]引入Bretschneider波浪能量譜考慮水的影響，分別對地震和波浪作用下樁柱上的動水壓力進行了對比分析。Jain[3]采用隨機振動方法研究了海上結構物同時受波浪和地震作用的動力特性。Etemad等[4]對比分析了波浪與地震同向、不同向激勵下海洋自升平臺的非線性動力響應，結果表明，當二者同向作用時波浪會減小平臺的地震響應，否則響應可能增加。Venkataramana等[5]討論了近海結構在隨機波浪和地震作用下的非線性動力響應特性。鄭向遠等[6]開展了近海風力發電機單樁基礎在波浪和地震聯合作用下的30∶1縮尺模型試驗，表明如忽略波浪效應會低估結構的動力響應。

深水橋梁方面的相關研究主要集中于我國。李忠獻等[7]對比分析了深水橋梁在地震、波浪單獨或聯合作用下的動力響應，發現二者共同作用下的動力響應并不是單獨作用時的簡單疊加，這一結論也得到文獻[8]的驗證。袁衛國等[9]以湛江東海島大橋橋墩為對象開展了動力計算，結果表明，波浪和地震同時作用時，橋墩樁頂彎矩、樁頂水平力、樁底最大彎矩和配筋需求等比地震單獨作用時有顯著的增長。丁陽等[10]采用隨機動力分析方法對比研究了深水橋墩在地震、波浪單獨及共同作用下的響應特性。目前，圍繞海洋工程結構物及跨海橋梁結構開展地震、波浪和海流共同作用的研究還非常少見。陳國興等[11]分析了考慮與否波、流作用時群樁基礎橋墩的地震響應特性，結果表明，順流向樁體位移、彎矩增大，逆流向減小，其影響幅度隨海流流速的增加而增大，且波、流作用效果與輸入地震動特性密切相關。柳春光等[1]對跨海橋梁結構在波浪、海流、地震等荷載單獨或聯合作用下的研究進展進行了系統的綜述與展望。吳安杰等[12]對某深水群樁基礎橋墩體系的動力反應分析表明，波流與地震之間存在相互影響，波流對地震響應的影響范圍為-31.6%～63.5%。

對既有研究的梳理可發現，國外研究主要以海洋平臺、近海風力發電機基礎等為對象，近年來我國學者逐漸開始了深水橋梁在地震、波流作用下動力響應特性的研究，但文獻[11-12]均采用Morison方程近似考慮外部激勵對結構產生的動水效應，難以全面模擬波流、地震與結構之間的雙向耦合動力作用。因此，本文以跨海深水橋梁工程為背景，建立可考慮波浪、海流、地震共同作用的深水橋墩精細化雙向流固耦合模型，采用全數值有限元法開展動力時程分析，提煉海流流速、波浪相位、周期、波高等波、流參數及水深對深水橋墩地震響應的影響規律。

1 波浪、海流的數值模擬

1.1 流體控制方程

在笛卡爾坐標系下，三維不可壓縮黏性層流的運動規律可用Navier-stokes方程描述為

( 1 )

( 2 )

( 3)

式中：ρ為流體質量密度；u、v分別為流體沿x、z方向的速度；p為壓力；μ為動力黏滯系數；t為時間；g為重力加速度；Sm為質量源；Sx、Sz分別為x、z方向的動量源。

1.2 波浪

1.2.1 波浪模型

本文采用Stokes 2階波浪理論描述近海波浪，其主要控制參數為：周期T、波高H、水深d，水質點水平、豎向速度函數u、v及自由波面函數η表達式為

( 4 )

( 5 )

(2+cosh2kd)cos2(kxd-wt)

( 6 )

式中：k為波數；w為波浪圓頻率；Δ為距靜水位的距離，如果與重力加速度同向，則Δ為負；xd為距入射邊界距離。

1.2.2 造波原理

主要的數值造波方法包括動邊界造波法、設置造波邊界法、設置造波區域法、動量源項造波法等，本文引入造波效果可靠的動邊界造波法[13]，通過在數值波浪水槽入口處設置運動邊界模擬推板造波機造波，可實現規則波浪(如線性波和Stokes非線性有限振幅波)的合理模擬[14]。造波板的運動速度為[13]

( 7 )

式中：η是給定的波浪過程(自由波面函數)，如η=Acoswt，其中,A為波幅；X是造波板位置，是時間t的函數；T(w)是造波板運動與給定波浪間的傳遞函數，其表達式為

( 8 )

1.2.3 數值波浪水槽模型

采用具有強大的多場耦合計算能力的ADINA軟件實現波浪的數值模擬。海水體積模量E=1.0×1020Pa，密度ρ=1 025 kg/m3，動力黏滯系數μ=1.01×10-3kg/(m·s)，重力加速度g=9.81 m/s2。海水可假定為不可壓縮黏性層流，采用8節點六面體3D-Fluid單元模擬，應用基于有限體積技術的FCBI-C單元算法進行方程離散，該算法適用于大規模問題的求解，具有穩定性強、精確度高的優點。采用分離法(SIMPLE)進行迭代求解。

根據波、流場的實際，水槽底面和側面用可滑移固壁模擬，上表面為自由液面，左邊界(波浪入口)為造波板運動邊界，右邊界(波浪出口)采用一致流邊界模擬無限遠邊界效果[15-16]。數值波浪水槽的有限元模型見圖1。模擬出的波面效果見圖2。

1.2.4 三維數值造波方法檢驗

為了驗證本文數值造波方法的合理性，采用大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室多功能綜合水池實測波高數據[17]為基準，對不同波浪參數下Stokes 2階波浪的波高時程模擬值進行了對比檢驗，見圖3。可看出，采用數值方法模擬所得波浪的波高、周期均和實驗數據吻合良好，波形穩定可靠。波高數模值與理論值[18]的對比見圖4，由圖4可見，波形穩定后的模擬波浪與理論值吻合很好。上述不同方法所得結果的對比表明，本文使用的動邊界造波法可有效實現近海非線性波浪的模擬。

1.3 海流

在實際海洋環境中，特別是在近岸區，海流的影響不可忽略[19]。工程中，海流對柱體的作用力通?？蓛H考慮為拖拽力，且由于海流的速度隨深度變化緩慢，一般認為同一垂線上的海流速度近似相等[20]，因此，在近海區可將其視為均勻定常流。限于問題的復雜性且相關資料不足，本文暫不考慮海床構造的影響，通過在數值波浪水槽入口處設置流體速度荷載uc=(1, 0, 0)實現海流的有效模擬[21]，海流方向與波浪傳播方向一致，即沿x軸正向。根據統計，本文中海流流速范圍取為1～4 m/s。

2 深水橋墩流固耦合計算模型

2.1 算例橋梁背景

選取兩座跨海橋梁的圓形橋墩為例，第一座橋墩取自某跨海橋梁的引橋段，其計算跨度為51.1 m，上部結構為預應力鋼筋混凝土梁，橋墩直徑D=6 m，墩高h=30 m，記為D6-h30墩，C40混凝土，鋼筋混凝土等效質量密度ρ1=2 500 kg/m3，彈性模量E1=3.0×104MPa，泊松比為0.2，橋墩所對應的梁體及橋面二期恒載的總質量為5 250 kg。第二座橋墩取自某跨海橋梁的2×64 m連續梁段，橋墩直徑D=8 m，墩高h=63 m，記為D8-h63墩，C50混凝土，鋼筋混凝土等效質量密度ρ2=2 760 kg/m3，彈性模量E2=3.45×104MPa，泊松比為0.2，墩頂上部結構質量為10 700 kg。對于兩座算例橋墩，上部結構的質量以集中質量形式施加于墩頂。

為了對比分析不同波、流參數下深水橋墩的動力響應特性，需建立可精確模擬波、流、地震共同作用的深水橋墩多場流固耦合數值計算模型。

2.2 流固耦合數值模型

2.2.1 流場合理水域范圍及網格劃分

本文作者研究發現[22]，沿波浪傳播方向，流場長度達到4L(L為波長)時，即與近海波浪參數相對應的水域長度范圍為200～412 m時，波浪波動趨于穩定；在流場寬度方向，當水域寬度≥14D時，可有效避免墩柱存在引起水槽兩側固壁出現反射波浪，動力響應趨于穩定。此外，為減小波浪衰減和準確反映波浪在自由液面附近的模擬效果，對一定區域內的網格予以加密。流場網格劃分見圖5。

2.2.2 波、流場流固耦合數值模型

分別在ADINA軟件的結構模塊和流體模塊中建立橋墩模型(圖6(a))和波、流場模型(圖6(b))，并將上述兩個模型進行流固耦合實現動力求解。圖6(a)中，橋墩選用各向同性彈性材料模型，采用三維實體單元(3D-Solid)模擬，墩頂集中質量采用質量單元(Mass)模擬，墩底固結，并在橋墩側向壁面上設置可與波、流實現動力耦合計算的流固耦合界面(FSI)。圖6(b)中，波、流場選用不可壓縮粘性層流模型，底面和側面為可滑移固壁(Slip Wall)，上表面為自由液面(Free Surface)，左邊界(波浪、海流入口)為造波板運動邊界，右邊界(波浪、海流出口)采用一致流邊界(Uniform Flow)模擬無限遠邊界效果，流體與橋墩間接觸面設置為流固耦合界面(FSI)。

當同時考慮地震的作用時，深水橋梁基礎將處于一個由繞射波浪、海流以及地震激勵產生的輻射波浪共同組成的綜合性波、流場，其動力平衡方程可表示為

( 9 )

3 不同荷載環境下深水橋墩的動力響應特性

深水橋墩所處的近海海域波、流條件復雜，波浪、海流及地震的共同作用，是典型的多場耦合動力問題。為了檢驗模型的合理性并討論不同荷載環境下的動力響應特征，以D8-h63墩為對象，選取波、流參數為T=8.0 s，H=6 m，d=50 m，φ=3π/2，uc=1～ 4 m/s。

對于所用地震記錄，依據文獻[23]中給出的選波原則選取。限于多場耦合模型動力計算的效率，本文選取了2條代表性的近、遠場記錄開展動力計算：1979年Imperial Valley-06地震El Centro-Meloland Geot Array臺站水平記錄，近場H-EMO000波；1984年Morgan Hill地震San Justo Dam臺站水平記錄，遠場SJL270波。根據橋址所在場地的抗震設防水平，將其峰值加速度均調整為0.2g，地震波輸入方向與波、流傳播方向一致。

3.1 波、流聯合作用

波、流聯合作用下不同時刻的流體豎向位移云圖見圖7。

圖8為波、流聯合作用下橋墩的加速度分布特征(圖8(a))及橋墩不同高度h1處截面的加速度響應時程(圖8(b))。由圖8可知，橋墩加速度隨墩柱高度增加而增大；在波浪達到橋墩之前，橋墩先后經歷了水流的瞬間沖擊和隨后的衰減階段，由于水流的脈動性以及墩后漩渦釋放，橋墩響應具有明顯的波動性；當波浪到達橋墩后，波浪與穩定繞流共存，且波浪作用占主導；瞬態沖擊階段的響應大于穩態繞流階段，這一現象與文獻[24]結果一致。

圖9為不同海流流速下波、流聯合作用時的橋墩動力響應時程，其中uc=0代表波浪單獨作用，其他工況代表波浪與不同流速的海流共同作用。由圖9可發現：(1)結構動力響應穩定后，不同流速下橋墩的響應值隨時間呈近似正弦分布，其振動周期為8.0 s，與輸入波浪的周期相吻合，即在穩定流條件下波浪周期不會因波浪、水流的相互作用而改變[25]。(2)由于所輸入的波浪為Stokes 2階非線性波，且波、流共同作用具有強非線性，橋墩的響應在零軸兩側呈不對稱分布。(3)由于波、流同向，海流對波浪具有推動作用，使波浪傳播速度加快，因此，隨著海流流速的增大，橋墩達到響應峰值的時間相應提前，這一現象與文獻[26]以海上浮式彈性板為對象的數值模擬結果相一致。(4)波、流聯合作用時，波浪的作用占主導。

3.2 波、流及地震共同作用

深水橋墩在波浪、海流及地震下的共同作用見圖10，墩周水體的水平位移云圖見圖11。由圖11可看出，波、流環境中，地震激勵下墩周水體會產生以橋墩為中心向四周擴散并逐漸衰減的水平位移。這是因為，入射波、流尤其是地震波的激勵使得橋墩產生水平向往復運動，在墩周產生輻射波浪進而對墩周波、流場產生影響，較好揭示了波、流環境中深水橋墩受地震激勵時的雙向流固耦合過程。

限于篇幅，圖12、圖13以SJL270地震波輸入為例，對比討論了地震單獨作用、波和流聯合作用以及波、流與地震共同作用下墩頂加速度、位移及墩底彎矩、剪力時程的對比。為使地震動激勵時橋墩已處于充分發展的波、流場中，同時為了加強對比度，響應時程的前24 s僅考慮波、流作用，見圖12(b)。由圖12(a)可知，雖然波、流聯合作用下墩頂加速度較波、流與地震共同作用小很多，但仍然會對橋墩不同時刻的加速度響應產生影響。

由圖13可知，波、流聯合作用下墩頂位移、墩底彎矩和剪力比地震單獨作用以及波、流與地震共同作用時較?。徊?、流與地震共同作用時，地震的作用占主導，其響應特征與地震單獨作用時相同；由于波、流的存在，不同時刻的響應值與地震單獨作用下存在一定差異，說明波、流環境會對橋墩的地震響應產生影響。橋墩在波、流與地震共同作用下的峰值響應最大，墩底截面的最大拉應變為0.000 23，超過了混凝土的極限拉應變0.000 1，但在圖13(b)和13(c)中，墩底彎矩、剪力峰值分別為254.0 MN·m、32.2 MN，并未超過本算例橋墩的屈服彎矩387.0 MN·m和抗剪承載能力120.4 MN，表明算例橋墩仍基本處于彈性工作狀態。

4 波、流參數影響規律分析

由于波浪和海流的隨機性，有必要分析波、流參數(如海流流速uc、波浪相位φ、波浪周期T、波高H及水深d等)對水中橋墩動力響應的影響規律。考慮計算效率，以D6-h30墩(矮墩)為對象，討論波浪周期、相位及水深的影響規律；同時，為了較好地覆蓋近海常見波高范圍1～6 m和更強的海流作用，在討論波高和海流流速的影響規律時，以D8-h63墩(高墩)為對象開展分析。

4.1 海流流速

討論海流流速的影響時，設定算例橋墩所處波浪、海流環境的參數為T=8.0 s，H=6 m，d=50 m，φ=3π/2，擬討論的海流流速范圍為uc=1、2、3、4 m/s。

不同海流流速下橋墩在各荷載環境的動力響應峰值見表1。由表1可知，波、流聯合作用時橋墩響應峰值隨海流流速uc的增加而增大，但均明顯小于地震單獨作用下的響應峰值。波、流及地震共同作用下橋墩的動力響應峰值隨流速的增加先增大后減小，對于本算例，在流速uc=2 m/s時取得最大值。其原因在于，海流對同向波浪具有推動作用[25]，而不同流速會改變波浪力峰值與地震波加速度峰值之間的相位差，在uc=2 m/s時，波、流與地震動響應的疊加效應最大，因此此時橋墩的動力響應峰值達到最大。對比還可發現，波、流及地震共同作用下橋墩響應峰值不是地震單獨作用以及波、流聯合作用這兩種工況下的簡單疊加，既可能大于也可能小于前者，其原因是地震和波浪間存在相位差，導致與兩類荷載相對應的橋墩動力響應峰值并不在同一時刻出現[8,11]。

表1 不同海流流速下深水橋墩動力響應峰值

為了更好地量化評價波、流參數對橋墩動力響應的影響程度，參照文獻[11]，定義波、流影響系數為

(10)

(11)

(12)

式中：Kpd、KM、KQ分別為波、流環境對橋墩墩頂位移、墩底彎矩以及剪力等動力響應指標的影響系數，Kpd、KM、KQ為正值時表示波、流環境增大橋墩的地震響應，為負值時則相反；Rl-pd、Rl-M、Rl-Q分別為波、流及地震共同激勵時橋墩墩頂位移、墩底彎矩和剪力峰值；Re-pd、Re-M、Re-Q分別為地震單獨作用時橋墩墩頂位移、墩底彎矩和剪力峰值。

不同海流流速下Kpd、KM、KQ的分布見圖14。由圖14中可看出，隨著流速的增加，波、流影響系數均先增大后減小。兩條地震波下，存在較為明顯的差異，當流速uc=2 m/s時，SJL270波下Kpd、KM、KQ分別為13.19%、10.98%、-0.11%；而H-EMO000波下分別為2.47%、3.81%、4.67%。此外，從圖14中還可發現，波、流影響系數也可能為負值，即波、流環境既可能增強也可能減弱橋墩的地震響應。例如，在SJL270波作用下，當uc=2 m/s時波、流對橋墩墩頂位移和墩底彎矩的增強作用最大，而當uc=4 m/s時，Kpd、KM、KQ分別為3.37%、-0.46%、-10.66%，波、流對深水橋墩墩底剪力的減弱作用達到最大。

4.2 波浪相位

討論波浪相位的影響時，所對應的波、流參數為T=6.0 s，H=3 m，d=20 m，uc=3 m/s，擬討論的波浪相位范圍為φ=0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4。

不同波浪相位下橋墩在各荷載環境的動力響應峰值見表2。由表中可知，波、流聯合作用時橋墩的動力響應峰值并不隨波浪相位的變化而改變；波、流及地震共同作用下深水橋墩的動力響應隨波浪相位的改變而呈不規則變化特征，但變化幅度較小。具體地，H-EMO000波作用下，當φ=π/4時，橋墩墩頂位移、墩底彎矩及剪力取得最大峰值，分別為70.67 mm、517.11 MN·m和66.17 MN；在SJL270波作用下，φ=3π/2時橋墩響應峰值達到最大，分別為29.56 mm、216.65 MN·m和27.67 MN。這是因為，波浪和地震波在本質上均為隨時間變化的非平穩隨機荷載，當波浪相位變化時，會使波浪力峰值和地震動加速度峰值之間的相位差也發生變化，從而導致橋墩總體動力響應有所改變。

表2 不同波浪相位下深水橋墩動力響應峰值

不同波浪相位下波、流影響系數的分布見圖15，由圖15可見，波、流影響系數隨波浪相位增加而變化，不同相位下呈波動狀態。并且，由于地震動頻譜特性的不同，兩條地震波下Kpd、KM、KQ在分布形態和量值上均有明顯差異。例如，波浪相位由φ=0增加到φ=7π/4時，H-EMO000波下Kpd、KM、KQ的變化范圍分別為-0.76%～1.20%、-0.71%～2.13%、-0.51%～3.10%；而SJL270波下則分別為5.50%～10.50%、5.17%～12.40%、4.95%～14.20%。此外，從圖15中還可發現，在H-EMO000波作用下，波、流影響系數出現負值，說明相位差的存在使得波、流環境也可能減弱橋墩的總體動力響應。

4.3 波浪周期

討論波浪周期影響時，所對應的波、流參數為H=3 m，d=20 m，φ=3π/2，uc=3 m/s，擬討論的波浪周期范圍為T為6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0 s。

不同波浪周期下橋墩在各荷載環境的動力響應峰值見表3。

表3 不同波浪周期下深水橋墩動力響應峰值

由表3可知，波、流聯合作用時橋墩響應峰值隨波浪周期的增大而單調減小。這是因為，隨著波浪周期的增加，其與算例橋墩第一階自振周期T1= 0.64 s的差別越大，從而在其他參數不變的條件下導致橋墩動力響應變小。從表3中還可看出，不同周期下，波、流及地震共同作用時的橋墩動力響應峰值呈現出一定幅度的波動狀態，波浪激勵周期與結構自振周期之間的差異，以及波浪與地震動之間的相位差，是產生這種現象的主要原因。

不同波浪周期下波、流影響系數的分布見圖16。由圖16可見，兩條地震記錄下波、流影響系數均隨波浪周期增大而波動。具體地，當波浪周期由6.0 s增加至9.0 s時，H-EMO000波下Kpd、KM、KQ的變化范圍分別為-0.76%～0.86%、-0.71%～1.70%、-0.51%～2.65%；SJL270波下則分別為5.50%～10.80%、5.65%～12.73%、5.90%～14.53%。和前兩種波浪參數下的結果相類似，H-EMO000波下的波、流影響系數也出現負值，說明一定的波浪周期下波、流作用可能降低橋墩的總體動力響應。

4.4 波高

為了討論波高的影響，相應選取的波、流參數為T=8.0 s，d=50 m，φ=3π/2，uc=3 m/s，擬討論的波高范圍為H=1,2,…,6 m。

不同波高下橋墩在各荷載環境的動力響應峰值見表4。由表4可知，波、流聯合作用時，橋墩動力響應峰值隨波高的增加而顯著增大，呈現出明顯的規律性。從表中還可看出，波、流與地震共同作用時，H-EMO000地震動作用下橋墩的動力響應峰值隨波高的增加而略有減小，而在SJL270地震動作用下橋墩響應隨波高的增加而增大。

上述分布特征與圖17所給出的波、流影響系數的分布相一致。由圖17可看出，隨著波高的增加，SJL270波作用下Kpd、KM、KQ均呈線性遞增趨勢，Kpd、KM、KQ的變化范圍分別為-4.06%～9.57%、-8.50%～7.03%、-19.40%～-3.91%。在H-EMO000波作用下，Kpd、KM、KQ的變化均不明顯，其變化范圍分別為-1.26%～0.09%、-0.63%～1.19%、-1.99%～-0.18%。上述對比再次表明，波、流作用可能增強也可能減弱橋墩的地震響應，隨波高的增加而發生變化，且不同地震動激勵下，增強或減弱的程度存在差異。

表4 不同波高下深水橋墩動力響應峰值

4.5 水深

討論水深的影響時，對應選取的波、流參數為T=6.0 s，H=3 m，φ=3π/2，uc=3 m/s，擬討論的水深范圍為d=15、20、25、30 m。

不同水深下橋墩在各荷載環境的動力響應峰值見表5。由表5可以看出，波、流聯合作用時，橋墩的響應峰值隨水深的增加而總體呈穩步增大趨勢，規律明顯。波、流及地震共同作用下，兩條地震記錄下的響應結果呈現出不同的分布趨勢。H-EMO000波下，橋墩動力響應峰值隨水深增加而有所減??；SJL270波作用下，橋墩響應峰值隨水深增加而有所增大，這種現象依然可歸結為不同地震波在頻譜特性上的差異以及其與波浪間相位差的區別。

表5 不同水深時的深水橋墩動力響應峰值

不同水深下波、流影響系數的分布見圖18。從圖18中可看出，兩條地震波下的分布曲線存在明顯差別。SJL270波作用下，Kpd、KM、KQ均為正值，且均隨水深的增加而增大，在水深d=30 m時，Kpd、KM、KQ分別為30.13%、31.68%、32.98%，此時，波、流環境對橋墩地震響應的增強作用最為明顯；而在H-EMO000波作用下，Kpd、KM、KQ均為負值，且均隨水深的增加而減小，在水深為d=30 m，Kpd、KM、KQ分別為-2.35%、-1.87%、-1.48%，波、流環境對橋墩地震響應的減弱作用最大。上述現象出現的原因，與波浪相位、周期等指標的影響機理類似，和不同地震動在頻譜特性上的差異有重要關系。

由上述不同波、流參數下的多荷載環境對比分析可知，波浪、海流與地震對橋墩共同作用的相互作用機理十分復雜，不同地震動輸入、不同波、流要素下橋墩的總體響應存在顯著的差異。其原因可能包括以下三個方面：(1)波浪和地震動均為非平穩隨機過程，二者的頻譜特性存在顯著差別；(2)波、流與地震共同作用時，波浪和地震波之間勢必存在相位差，不同波、流參數下相位差的變化會對結構總體動力響應產生不同方向和程度的影響；(3)波、流和地震荷載的作用位置不同，波浪主要作用在近水面的墩身上，海流作用于全水深的墩身上，而地震荷載則作用于橋墩底部，范圍和幅度存在差別。

5 結論

通過本文研究，盡管兩條地震波下算例深水橋墩的具體計算結果及其分布特征存在明顯差異，仍可得到以下結論性認識：

(1) 深水橋墩受波浪、海流聯合作用時，波浪的作用處于主導地位，且海流不會對波浪周期產生影響，橋墩動力響應峰值隨著海流流速、水深、波高的增加而增大，隨波浪周期的增大而減小，規律性明顯。

(2) 橋墩在波、流聯合作用下的響應小于地震單獨作用時，且橋墩在波、流和地震共同作用下的響應并不是地震單獨作用或波、流共同作用這兩種工況下的簡單疊加。

(3) 波、流及地震共同作用下深水橋墩的動力響應隨波浪相位、波浪周期的增加而波動；隨水深、波高的增加而增大或減?。浑S海流流速的增加而先增大后減小。

(4) 波、流及地震共同作用時，地震處于主導地位，結構響應特征與地震單獨作用時相同，響應幅值會大于或小于地震單獨作用時，波、流環境對橋墩地震響應的增強或減弱作用與輸入地震動特性、波浪相位、周期、波高、水深以及海流流速均有關。

(5) 算例結果表明，波、流對橋墩動力響應的影響幅度可達30.0%以上。因此，跨海橋梁在進行抗震設計時有必要綜合考慮波浪和海流的影響。

需說明的是，限于波、流及地震共同作用下結構多場耦合計算的效率，本文以深水橋梁橋墩為對象開展分析，且所采用的地震記錄有限，后續還需開展成組地震記錄激勵下的全橋分析，以獲得更具統計特征的規律性認識。