動水壓力對庫區(qū)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)地震響應(yīng)的影響

文/周玉龍、姚永丁、李毅 中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司 浙江杭州 310014

動水壓力對庫區(qū)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)地震響應(yīng)的影響

文/周玉龍、姚永丁、李毅 中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司 浙江杭州 310014

以某電站庫區(qū)的一座大跨度連續(xù)剛構(gòu)為例，采用基于Morison方程的附加動水質(zhì)量計算方法，研究了動水壓力對連續(xù)剛構(gòu)地震響應(yīng)的影響。結(jié)果表明：動水壓力對庫區(qū)大跨度連續(xù)剛構(gòu)地震響應(yīng)的影響較大，尤其是剪力響應(yīng)；地震響應(yīng)分析時必須同時考慮墩內(nèi)和墩外水的影響。

動水壓力；連續(xù)剛構(gòu)；Morison方程；附加動水質(zhì)量；電站庫區(qū)

隨著西部水電的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，電站庫區(qū)修建了大批的深水橋梁。西部地區(qū)又大部分屬于高震區(qū)，地震激勵下深水與橋墩相互作用會對橋墩產(chǎn)生動水壓力，在改變結(jié)構(gòu)動力特性的同時也增大了結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，所以研究地震激勵下動水壓力對橋墩動力響應(yīng)的影響，對于庫區(qū)深水高墩橋梁的建設(shè)具有重要的意義。

分析動水壓力對橋墩地震響應(yīng)影響的方法較多，國內(nèi)比較常用的方法是在Morison方程[1]的基礎(chǔ)上，用附加質(zhì)量考慮水的影響，采用有限元方法來分析深水橋墩的地震響應(yīng)[2][3]。該方法公式推導(dǎo)過程清晰明確，動水壓力表達式簡潔易于計算，考慮動水壓力的有限元模型建模簡單，計算效率高，計算結(jié)果有一定的富裕，因此在工程界被廣泛采用。

本文采用基于Morison方程的附加動水質(zhì)量計算方法，以位于某電站庫區(qū)的一座大跨度連續(xù)剛構(gòu)為背景，研究動水壓力對庫區(qū)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)抗震響應(yīng)的影響。

1、工程概況與建模

某特大橋位于某電站庫區(qū)，橋梁全長為438.75m，主橋為（90+160+90）m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。主橋橫斷面為單箱單室箱形斷面，箱梁根部高度10m，跨中梁高3.5m，其間梁高按1.8次拋物線變化。箱梁頂板寬10m，底板寬6m，采用縱向、豎向雙向預(yù)應(yīng)力體系。主橋橋墩采用變截面薄壁空心橋墩，墩底截面為9x9m，墩頂截面為6x9m，壁厚順橋向0.9m，橫橋向0.7m，橋墩基礎(chǔ)采用直徑Ф1.8m的群樁基礎(chǔ)。

圖1 橋型布置圖（單位： m）

采用Midas/Civil有限元計算分析程序，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的總體構(gòu)造布置，建立了結(jié)構(gòu)動力特性和地震反應(yīng)分析的三維有限元模型。全橋主梁和橋墩模擬為考慮了剪切變形的三維彈性Timoshenko梁單元，共劃分為162個梁單元。

圖2 有限元模型

電站庫區(qū)水流速度一般較緩，地震作用時水體速度相對于結(jié)構(gòu)運動速度而言可以忽略，即假定水是靜止的，同時由于動水阻力對橋墩動力響應(yīng)的影響不大，也可以忽略，由此可以得到基于Morison方程的水與橋墩動力相互作用體系在地震作用下的動力平衡方程為[3]：

2、基于Morison方程的附加動水質(zhì)量計算方法

基于以上公式，庫區(qū)橋梁橋墩上的動水壓力可采用Morison方程近似計算，將動水作用以附加質(zhì)量的形式作用在墩體上，然后采用有限元方法分析橋梁的地震響應(yīng)。

應(yīng)用Morison方程計算動水壓力的關(guān)鍵是合理的選取動水慣性力系數(shù)CM。對于圓柱體=2，對于非圓柱體上的附加動水質(zhì)量，可以將其等效為圓柱體來計算，根據(jù)其截面的外形尺寸計算得到的修正系數(shù)來對圓柱體計算結(jié)果進行修正，其公式為：

公式的適用范圍為0.1≤D/B≤10，工程上大多數(shù)矩形橋墩均滿足此條件。

矩形空心墩內(nèi)域水的影響采用歐洲規(guī)范[6]的規(guī)定，以內(nèi)域水的質(zhì)量作為附加質(zhì)量加在橋墩上考慮。

3、地震響應(yīng)計算結(jié)果及分析

3.1 、地震參數(shù)及地震響應(yīng)分析方法

大橋地震反應(yīng)采用時程分析法進行，加速度時程采用地震安評報告提供的50年超越概率10%的加速度時程，基巖水平峰值加速度178gal。地震荷載工況分別考慮了縱橋向和橫橋向的地震作用效應(yīng)，時程分析方法采用振型疊加法。

3.2 、正常蓄水位時地震響應(yīng)計算結(jié)果及分析

1）動力特性分析結(jié)果

電站正常蓄水時，橋墩水下高度70m。動力特性計算時考慮了兩種工況：僅考慮墩外水和同時考慮墩內(nèi)、外水。兩種工況下前10階自振頻率和不考慮動水作用下的自振頻率對比見表1。從表1可以看出考慮動水壓力改變了結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量分布，對結(jié)構(gòu)自振頻率的影響較大。

前10階自振頻率對比表

表1

2)內(nèi)力及位移分析結(jié)果

表 2 為電站正常蓄水時地震激勵下內(nèi)力及位移響應(yīng)計算結(jié)果匯總表。

地震響應(yīng)計算結(jié)果匯總表

表2

從表2中可以看出，考慮動水壓力后結(jié)構(gòu)縱、橫橋向的位移和內(nèi)力響應(yīng)均明顯增大，其中對剪力響應(yīng)的影響最大。橫向地震激勵下，同時考慮墩內(nèi)、外水壓力時，墩底最大剪力響應(yīng)增幅達72.4%。

3.3 不同水深時地震響應(yīng)計算結(jié)果及分析

圖3和4為不同水深時橋梁地震響應(yīng)計算結(jié)果，圖中水深比表示水深與橋墩高度的比值。從圖中可以看出，不同水深對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響較大：水深對彎矩和位移響應(yīng)的影響規(guī)律基本一致，水深較淺時響應(yīng)增加較慢，水深逐漸加深后，響應(yīng)增加較快；水深對剪力響應(yīng)的影響規(guī)律則基本與之相反，水深較淺時響應(yīng)增加較快，隨后響應(yīng)增加較慢，甚至減小。

圖3 縱向激勵下橋墩地震響應(yīng)變化圖

圖4 橫向激勵下橋墩地震響應(yīng)變化圖

結(jié)論：

本文采用基于Morison方程的附加動水質(zhì)量計算方法，以位于某電站庫區(qū)的一座大跨度連續(xù)剛構(gòu)為背景，研究了動水壓力對庫區(qū)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)抗震響應(yīng)的影響，得到主要結(jié)論如下：

1)考慮動水壓力改變了結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量分布，對結(jié)構(gòu)自振頻率的影響較大。

2)考慮動水壓力對連續(xù)剛構(gòu)地震響應(yīng)計算結(jié)果影響較大，因此在連續(xù)剛構(gòu)地震響應(yīng)計算時必須考慮動水壓力的影響，且必須同時考慮墩內(nèi)和墩外水的影響。

3)不同水深對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響較大，水深對墩底彎矩及主梁位移響應(yīng)的影響規(guī)律基本一致，水深較淺時響應(yīng)增加較慢，水深逐漸加深后，響應(yīng)增加較快，水深對墩底剪力響應(yīng)的影響規(guī)律則基本與之相反。

[1]Morison J R，O’Brien M P，Johnson J W，et a1．The Force Exerted by Surface Wave on Piles[J]．Petroleum Transactions，AIME，1950。189：149-154．

[2]高學(xué)奎，朱晞，地震動水壓力對深水橋墩的影響[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，（1），2006，55-58。

[3]趙國輝，彭浩，深水中大跨徑斜拉橋地震響應(yīng)分析[J].震災(zāi)防御技術(shù)，（5），2010，461-466。

[4]竺艷蓉，海洋工程波浪力學(xué)[M].天津：天津大學(xué)出版社，1991。

[5]賴偉，地震和波浪作用下深水橋梁的動力響應(yīng)研究[D].上海:同濟大學(xué)，2004。

[6]EN1998-2，歐洲規(guī)范8：結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計：橋梁[M].CEN/TC250“歐洲結(jié)構(gòu)規(guī)范”技術(shù)委員會。

周玉龍：男，1983.3月生，浙江諸暨人，工程師，從事橋梁工程設(shè)計、咨詢工作。