深水橋梁的地震響應(yīng)分析

【摘要】本文以一深水連續(xù)剛構(gòu)橋為分析對象，通過Morison方程考慮動水壓力，采用ANSYS建立有限元模型計算橋梁的線性地震響應(yīng)；采用Perform-3D建立計算模型計算橋梁的非線性地震響應(yīng)。基于計算結(jié)果，討論了動水壓力對深水橋梁的線性和非線性地震響應(yīng)的影響，比較了深水橋梁線性與非線性地震響應(yīng)的差異。

【關(guān)鍵詞】深水橋梁；動水壓力；非線性；地震響應(yīng)

很多學(xué)者都對處于深水中的橋梁進(jìn)行大量的研究，江輝[1]采用基于流固耦合理論的勢流體的計算方法對近、遠(yuǎn)場地震作用下等效單墩結(jié)構(gòu)振動特性及動力響應(yīng)進(jìn)行對比分析。曾金明[2] 采用FSI流固耦合方法分析了深水橋墩的地震響應(yīng)，并對影響地震響應(yīng)的水深、水域面積及壁厚等因素進(jìn)行分析；黃信[3]分別采用Morison方程和輻射波浪理論分析動水壓力對橋墩地震響應(yīng)的影響。本文以一深水橋梁為研究對象，考慮動水壓力對深水橋墩的線性和非線性地震響應(yīng)影響。

1、工程概況

巖灣河大橋主橋跨徑布置為（95+180+95）m，橋面寬度為12.25m，主梁采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室箱梁，箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8次拋物線變化。主橋橋墩采用雙肢矩形空心墩，橋墩沿順橋?qū)挾葹?.5m，沿橫橋?qū)挾葹?.0m，壁厚均為0.9m，肢間凈距7.0m；墩高為80m。本文以巖灣河大橋為研究對象，采用Morison[4，5]方程考慮動水壓力，計算了深水橋墩的地震響應(yīng)。采用有限元程序Ansys對全橋建立三維空間有限元模型，無水和有水時（水深為64m）的有限元模型圖如圖1。

（a）無水

（b）有水

2、動力特性計算

分別計算出不考慮水作用以及采用Morison方程考慮動水壓力時橋梁的自振頻率。表1列出了兩種情況下前20階橋梁的自振頻率及自振周期。

在同一階振型下，有水時的自振頻率均小于無水狀態(tài)下的自振頻率。無水時，該橋的第一階自振頻率為0.2747Hz，考慮水對橋墩的影響后橋梁的自振頻率為0.2519 Hz，比無水時下降了。

3、線性地震響應(yīng)分析

選擇了El-Centro地震波、Mexico地震波和Taft地震波進(jìn)行輸入[6]，對巖灣橋進(jìn)行地震響應(yīng)分析。表2和表3分別列出了El-Centro地震波作用下順橋向、橫橋向橋墩墩頂和墩底內(nèi)力響應(yīng)值。

由表2和表3可知，以1號橋墩為例，相對于無水情況，有水時的橋墩沿著順橋方向墩頂剪力的增加量為252kN；增長率為5.17%；墩頂彎矩的增加量為3509kN.m；增長率為3.56%；墩底剪力的增加量為999kN；增長率為15.14%；墩底彎矩的增加量為24898kN.m；增長率為4.75%。

由上述分析可知，（1）相對于無水，動水壓力增大了深水橋墩地震響應(yīng)值的影響；（2）對比動水壓力對橋墩剪力和橋墩彎矩的影響，相同情況下，動水壓力對墩底剪力的影響要大于對墩底彎矩的影響；（3）對比墩頂內(nèi)力和墩底內(nèi)力的影響，相同情況下，動水壓力對墩底內(nèi)力的影響大于對墩頂內(nèi)力的影響。

（a）順橋向

（b）橫橋向

圖2 1號橋墩墩頂位移時程曲線

圖2為1號橋墩墩頂位移時程曲線。從圖2可以看出，考慮動水壓力的作用增大了墩頂位移的最大響應(yīng)值，并且使墩頂最大位移發(fā)生的時刻也有所改變；對比順橋向和橫橋向兩圖，動水壓力對順橋方向橋墩墩頂位移的影響明顯大于橫橋方向。

4、非線性地震響應(yīng)分析

為了分析處于深水中的橋梁水對橋墩非線性地震響應(yīng)的影響，采用Perform-3D分別建立無水和有水兩種計算模型。橋墩采用纖維模型，橋墩的纖維劃[7，8]分見圖3。

為了分析動水壓力對深水橋梁的非線性的地震響應(yīng)的影響，現(xiàn)將非線性計算得到的沿順橋方向橋墩主要截面的最大曲率響應(yīng)列于表4，1號橋墩在EL-CENTRO地震作用下墩底的滯回曲線如圖4所示。

1）無水

2）有水

圖4 1號橋墩墩底彎矩-曲率滯回曲線

從1號橋墩主要截面的最大曲率響應(yīng)可以看出，考慮了動水壓力后，在順橋向地震作用下，橋墩的最大曲率響應(yīng)有一定的增加，增幅為10%-20%。

結(jié)論：

（1）考慮水對橋墩的影響，動水壓力減小了橋梁的自振頻率，增大了橋墩的地震響應(yīng)值，改變了地震最大響應(yīng)值發(fā)生的時刻；

（2）對比動水壓力對橋墩剪力和橋墩彎矩的影響，相同情況下，動水壓力對墩底剪力的影響要大于對墩底彎矩的影響；對比墩頂內(nèi)力和墩底內(nèi)力的影響，相同情況下，動水壓力對墩底內(nèi)力的影響大于對墩頂內(nèi)力的影響。

（3）橋墩進(jìn)入非線性后，應(yīng)采用非線性分析的方法考慮深水橋墩的地震響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]江輝，楚芹，王寶喜。近遠(yuǎn)場地震下深水橋墩動力響應(yīng)特性對比研究[J].振動與沖擊，2014，22：58-66

[2]曾金明，張潔.基于流固耦合方法的深水橋墩地震響應(yīng)分析[J].中外公路，2014，02-0165-06.

[3]黃信，李忠獻(xiàn).動水壓力作用對深水橋墩地震響應(yīng)的影響[J].土木工程學(xué)報，2011，01-0066-09.

[4]Morison J ，O'Brien M，Johnson J，et al.\"The Force Exerted by Surface Wave on Piles\"，Petroleum Transactions.AIME，1950，189：149-154.

[5]張潔，朱東生，張永水，等.考慮動水壓力作用的深水橋墩地震響應(yīng)分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報，2012，3：357-361