波流與地震共同作用下深水橋墩動(dòng)力響應(yīng)分析

吳安杰， 楊萬(wàn)理， 趙 雷

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

我國(guó)江、河、湖泊眾多，海域遼闊，近年來(lái)在沿海地區(qū)和西部山區(qū)庫(kù)區(qū)建設(shè)了大量的深水橋梁.我國(guó)處于兩大斷裂帶之間，橋址區(qū)常有地震活動(dòng)，置于深水中的橋梁下部結(jié)構(gòu)常受到形形色色的環(huán)境荷載作用，如波浪的拍打、水流的沖擊、地震波的擾動(dòng)等.在波浪、水流和地震引起的動(dòng)水壓力共同作用及相互影響下，結(jié)構(gòu)受力將十分復(fù)雜.深水環(huán)境勢(shì)必加大橋梁下部結(jié)構(gòu)的隱蔽性，結(jié)構(gòu)在損壞后修復(fù)困難，這進(jìn)一步突顯深水橋梁抗震分析的重要性和緊迫性.

波浪力及波流力作為海洋工程的常規(guī)荷載，此方面的研究開(kāi)展較早［1-3］，最初的莫里森(Morison)方程［1］只用來(lái)計(jì)算立于水中剛性樁柱的波浪力.Penzien 和 Kaul［4］將 Morison 方程應(yīng)用于計(jì)算水中結(jié)構(gòu)地震動(dòng)水壓力.針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震動(dòng)水壓力問(wèn)題，許多學(xué)者［5-8］已開(kāi)展了相關(guān)方面的研究，并取得了一些成果，這里均假定地震前結(jié)構(gòu)處于靜水中，忽略了流體的流動(dòng)性(未考慮波浪和水流的影響).現(xiàn)階段開(kāi)展大型水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)存在諸多困難，對(duì)于深水橋梁在多環(huán)境荷載作用下的研究主要還是借助理論和數(shù)值分析手段.李忠獻(xiàn)和黃信［9］采用繞射波浪理論考慮波浪作用，輻射波浪理論考慮地震動(dòng)水壓力，通過(guò)自編程序，分析了某橋墩在地震和波浪聯(lián)合作用下動(dòng)力響應(yīng).張學(xué)志等［10］采用Morison方程側(cè)重于考慮流固耦合效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響.Lotfollahi等［11］借助 Abaqus軟件建立了丁壩模型，研究了地震和波浪對(duì)沿海防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響.Kawano等［12］通過(guò)隨機(jī)理論研究了隨機(jī)海浪和強(qiáng)震對(duì)海洋平臺(tái)的作用，研究表明較小的隨機(jī)海浪可以提高海洋結(jié)構(gòu)的抗震性能.上述研究在考慮波浪和地震作用時(shí)，未涉及水流的影響，且對(duì)結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)化，主要采用的是簡(jiǎn)諧波和簡(jiǎn)單譜.綜合來(lái)看，波流力和地震動(dòng)水力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力影響已分別開(kāi)展了較為細(xì)致的研究，但波流與地震共同作用時(shí)產(chǎn)生的作用效應(yīng)研究較少，目前該方面研究在國(guó)內(nèi)外仍處于起步階段.本文基于非線性Morison方程，通過(guò)有限元時(shí)程動(dòng)力分析，考慮真實(shí)的地震波時(shí)程，研究了樁-承臺(tái)-橋墩結(jié)構(gòu)體系在波流與地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)(行文中將波浪和水流簡(jiǎn)稱為波流)，揭示了多環(huán)境荷載共同作用機(jī)理.

1 基本理論

當(dāng)跨海深水橋梁受到波流與地震作用時(shí)，根據(jù)Morison擴(kuò)展公式［4］，結(jié)構(gòu)-水耦合動(dòng)力控制方程為

式中:F為波流和地震產(chǎn)生的動(dòng)水力;M、C、K分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;x(t)、 x(t)、¨x(t)分別為結(jié)構(gòu)相對(duì)位移、速度、加速度列陣;I為地面運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)列陣， xg、¨xg分別為地面運(yùn)動(dòng)速度和加速度; u(t)、¨u(t)分別為波浪水質(zhì)點(diǎn)絕對(duì)速度和絕對(duì)加速度，與所采用的波浪理論有關(guān);v為水流速度，在工程結(jié)構(gòu)分析中，一般將海流看作是一定常水流，不隨時(shí)間變化，并認(rèn)為它對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力僅為拖曳力;A和V分別為結(jié)構(gòu)迎水面積和結(jié)構(gòu)排水體積;ρ為水密度;CD為阻力系數(shù);CM為慣性系數(shù)(質(zhì)量系數(shù));Cm為附加質(zhì)量系數(shù)(CM=Cm+1).動(dòng)水力系數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)具體截面形狀有所不同，波浪描述采用規(guī)則波，波浪特征(Airy線性波和Stokes五階波)及自由液面影響考慮方式可參見(jiàn)文獻(xiàn)［13］.

耦合控制方程求解采用數(shù)值方法計(jì)算，其中，地面運(yùn)動(dòng)加速度可由地震加速度時(shí)程曲線確定，根據(jù)相應(yīng)的波浪理論方程，水質(zhì)點(diǎn)速度、加速度為已知量， x(t)未知，在每一載荷步中需設(shè)定節(jié)點(diǎn)i時(shí)刻t的速度初始值等于上一時(shí)刻t－Δt的速度值進(jìn)行迭代計(jì)算，即 xi(t)= xi(t－Δt)，直到最后兩次計(jì)算的節(jié)點(diǎn)速度差值在允許誤差控制范圍內(nèi)即可.需要指出:上述分析方法是基于Morison公式，適用范圍限于小尺度構(gòu)件，即D/L＜0.2，D為表征構(gòu)件尺度的量，即迎水面寬度，L為波長(zhǎng).

2 計(jì)算模型及方法驗(yàn)證

2.1 計(jì)算模型

某跨海大橋橋墩采用分離式空心墩及分離式基礎(chǔ)，單幅墩基礎(chǔ)為4根Φ1.8 m鉆孔摩擦樁，承臺(tái)平面尺寸為 8.6 m×8.6 m，四周倒圓角，見(jiàn)圖 1.

借助ANSYS軟件，將深水樁-承臺(tái)-橋墩結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行有限元離散，并編制APDL分析程序.選取固定支座的橋墩，采用“集中質(zhì)量塊法”對(duì)上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量作等效處理(這里認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)剛度約束小，忽略剛度約束影響)，并約束質(zhì)量單元水平方向自由度，即等效為固定支座.根據(jù)規(guī)范［14］規(guī)定，本文采用等效樁法，將土中的樁按6倍樁徑取為剛性固定端來(lái)近似考慮土對(duì)樁的約束邊界.因樁基礎(chǔ)的樁距與樁徑比(2.8)較小，應(yīng)考慮樁群之間的干擾和遮蔽效應(yīng)，群樁系數(shù)按照文獻(xiàn)［15］進(jìn)行取值.

圖1 橋墩立面及平面示意(單位:cm)Fig.1 Elevation and profile of pier(unit:cm)

計(jì)算的基本參數(shù)如下:計(jì)算水深d=25 m;波浪有效波高H=3 m;波浪有效周期T=6 s;水面速度為2 m/s(波流要素按最不利海況取最大值).通過(guò)彌散關(guān)系，可得波長(zhǎng) L=55.8 m，因?yàn)?d/L=0.45＞0.20且 H/d=0.05≤0.20，說(shuō)明參數(shù)條件符合線性波理論的適用范疇.結(jié)構(gòu)的最大尺寸D(承臺(tái)邊長(zhǎng) 8.6 m)與波長(zhǎng)之比，即 D/L=0.15＜0.20，符合Morison基本理論的適用條件.對(duì)于圓形截面樁，CD=1.2，CM=2.00;對(duì)于方形截面承臺(tái)，CD=2，CM=2.51;對(duì)于矩形截面的墩，CD=2，CM=2.58.瞬態(tài)分析采用Rayleigh阻尼，結(jié)構(gòu)質(zhì)量阻尼系數(shù)α=0.005 6，剛度阻尼系數(shù) β=0.040 5.為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定海流速度沿著水深呈線性變化，水面處水流速度取該橋位處流速最大值，即2 m/s，泥面處為0，并假定波流共線且同向.地震基本烈度為7°，按8°設(shè)防(地震加速度峰值為0.2g).

地震波采用El-Centro波、時(shí)程取40 s，通過(guò)SeismoSignal軟件對(duì)地震波進(jìn)行基線修正并調(diào)幅，調(diào)整后的加速度峰值為0.2g，如圖2所示.相應(yīng)的頻譜曲線(傅氏譜)如圖3所示.

由圖3可知，El-Centro波有一個(gè)明顯的頻譜峰值，主頻為1.515 Hz，頻率成分中以低頻成分居多.以下分析在沒(méi)有特別說(shuō)明的情況下，均采用基本計(jì)算參數(shù).

圖2 El-Centro波加速度時(shí)程曲線Fig.2 Curve of acceleration time history of El-Centro wave

圖3 El-Centro波頻譜(傅氏)曲線Fig.3 Curve of spectrum(Fourier)of El-Centro wave

2.2 計(jì)算方法驗(yàn)證

圖4 為基本參數(shù)下(El-Centro波)，圓形截面樁(樁長(zhǎng)30 m，樁徑1.8 m)在波流與地震共同作用下，分別采用ANSYS-CFX雙向流固耦合數(shù)值仿真計(jì)算(通過(guò)CFX構(gòu)建波流與地震數(shù)值實(shí)驗(yàn)水槽)和本文所采用的計(jì)算方法得出的響應(yīng)時(shí)程.結(jié)構(gòu)最大位移(絕對(duì)位移)發(fā)生在樁頂部，而最大等效應(yīng)力發(fā)生在樁底.由圖4可知，兩種方法得出的響應(yīng)曲線吻合性較好，位移和應(yīng)力峰值偏差分別為4.14%和5.11%，兩種方法計(jì)算結(jié)果偏差不大，從而驗(yàn)證了本文計(jì)算方法的正確性和可靠性.

圖4 數(shù)值仿真(CFX)和本文計(jì)算方法結(jié)果的對(duì)比Fig.4 The result comparison between CFX simulation and the method in this paper

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 波流與地震作用下橋墩動(dòng)力響應(yīng)分析

當(dāng)波浪、水流和地震作用方向同向且沿橫橋向時(shí)，橋墩結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表1，相應(yīng)的動(dòng)力反應(yīng)時(shí)程曲線如圖5所示.定義波流對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響系數(shù)R為有波流作用時(shí)地震響應(yīng)峰值減去無(wú)波流作用時(shí)地震響應(yīng)峰值與無(wú)波流作用時(shí)地震響應(yīng)峰值的百分比.

表1 波流與地震作用下橋墩動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of dynamic response of deep bridge pier under the wave，current and seismic loads

從表1可知，波流與地震共同作用時(shí)的響應(yīng)并不是兩者單獨(dú)作用下的響應(yīng)值的簡(jiǎn)單加減.波流作用對(duì)地震反應(yīng)的影響系數(shù)為－31.6%～19.4%，說(shuō)明在基本參數(shù)下，波流作用對(duì)地震反應(yīng)有明顯影響.波流作用可增大墩頂和樁頂順流向地震位移極值而減小逆流向極值，減小墩根部正向和負(fù)向彎矩極值，增大樁頂正向彎矩極值而減小負(fù)向極值，減小樁頂正向和負(fù)向剪力極值，增大樁頂拉應(yīng)力(軸向+彎曲應(yīng)力)極值而減小壓應(yīng)力極值.總體上，波流作用在一定程度上削減了墩頂位移、墩根部彎矩、樁頂剪力、樁頂應(yīng)力峰值(絕對(duì)幅值)，放大了樁頂位移和彎矩幅值.

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)橋墩同時(shí)受到波流和地震作用時(shí)，在地震持續(xù)時(shí)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)沿某一中心呈波動(dòng)式變化，其幅值變化大致為先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，隨著地震波強(qiáng)度的減弱和消退，結(jié)構(gòu)響應(yīng)表現(xiàn)出以波流響應(yīng)為主的諧波特征，這與波浪假定為單一規(guī)則正弦波有關(guān).因波與流之間存在相互影響，所以波流作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)并不是完全規(guī)則的正弦波.不管是地震單獨(dú)作用，還是地震與波流共同作用，結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰值并不是出現(xiàn)在地震波加速度峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻(2.14 s)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)具有滯后現(xiàn)象.

僅從該算例來(lái)看，與偶然的強(qiáng)震作用相比，波流對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用小于地震對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用.波流力作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)如位移、內(nèi)力和應(yīng)力占地震與波流聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的比重(16%～38%)仍是可觀的，不可忽略.

圖5 波流與地震作用下深水橋墩動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程Fig.5 Dynamic response time history of bridge piers in deep water under the loads of wave，current and earthquake

為進(jìn)一步說(shuō)明問(wèn)題，在El-Centro波基礎(chǔ)上增加了9條地震波(8度設(shè)防，加速度峰值均為0.2g，但地震波頻譜特性不同)，表2僅以墩頂位移為動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)，展示了不同地震波激勵(lì)下、波流作用下以及兩者共同作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力的響應(yīng).從表2可知，一般情況下地震所致結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)遠(yuǎn)大于波流作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，波流與地震作用的總體效應(yīng)中地震作用起主要作用.該結(jié)果僅適用于該橋橋位處的抗震設(shè)防等級(jí)和最不利海況下波流參數(shù)的取值.一般而言，任意橋位處的地震加速度特征與波流參數(shù)之間沒(méi)有必然的聯(lián)系，而地震波的幅值、主頻、持時(shí)，波流參數(shù)的流速、波高、周期等都是影響地震、波流對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)貢獻(xiàn)的因素.因此，地震、波流作用對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)貢獻(xiàn)大小的比較，需要針對(duì)具體的跨海橋梁開(kāi)展.波流對(duì)地震響應(yīng)的影響范圍為－31.6%～63.5%，因此有必要進(jìn)行波流與地震的聯(lián)合作用分析.

除了地震誘發(fā)的海嘯波之外，若假設(shè)橋址周圍的海底是平面，地震對(duì)波流場(chǎng)的影響主要通過(guò)橋梁下部結(jié)構(gòu)在波流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生對(duì)波流場(chǎng)的擾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn).波流場(chǎng)中水質(zhì)點(diǎn)一邊由波浪參數(shù)以一定的速度和加速度作橢圓狀往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一邊以海流速度作直線運(yùn)動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)的疊加形成水質(zhì)點(diǎn)在波流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡.

靜水中，地震作用下結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)(含剛體運(yùn)動(dòng)和彈性振動(dòng))激發(fā)振蕩流，結(jié)構(gòu)周圍水質(zhì)點(diǎn)按照以一定的速度和加速度作不規(guī)則振蕩運(yùn)動(dòng).地震激發(fā)的水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與該質(zhì)點(diǎn)波流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)疊加，形成地震與波流共同作用下水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng).水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于結(jié)構(gòu)的速度和加速度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生壓應(yīng)力和切應(yīng)力，結(jié)構(gòu)隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變形，結(jié)構(gòu)的變形將改變與之接觸的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，而水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的改變將再次影響結(jié)構(gòu)的受力和變形，結(jié)構(gòu)與流體之間的耦合作用如此交替進(jìn)行.

表2 不同類型地震波激勵(lì)下橋墩墩頂位移響應(yīng)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of displacement response of deep bridge pier under different seismic loads

3.2 波流要素對(duì)橋墩動(dòng)力響應(yīng)的影響

本節(jié)將討論波流作用方向、波高、水深、流速和波浪周期對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，限于篇幅，僅將墩頂水平總位移作為研究對(duì)象.

(1)波流作用方向的影響

地震作用方向不變，改變波流作用方向，墩頂水平總位移隨波流與地震作用方向角度的變化情況如圖6所示.

圖6 波流與地震不同作用方向下墩頂水平總位移Fig.6 Total horizontal displacement of pier top under seismic load and wave-current forces with different direction

由圖6(a)可知:波流傳播方向與地面運(yùn)動(dòng)加 速度峰值同向時(shí)(180°)，可增大結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)峰值;反向時(shí)(0°)，可削減地震反應(yīng)峰值.波流傳播方向除了改變結(jié)構(gòu)響應(yīng)幅值外，還會(huì)改變結(jié)構(gòu)響應(yīng)峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)(圖6(b)).

(2)波高的影響

圖7(a)展示出波流與地震共同作用下墩頂水平總位移隨波高的變化曲線.

圖7 波流與地震共同作用下墩頂水平總位移隨波流參數(shù)的變化Fig.7 Variation of total horizontal displacement of pier top under combined wave，current and earthquake loads with wave-current parameters

由圖7(a)可知:波高小于6 m時(shí)，位移變化不大的平緩段;波高超過(guò)6 m后，出現(xiàn)了急劇上升段.原因如下:工況中計(jì)算水深為25 m，承臺(tái)底面距離計(jì)算水面的高度為 3.5 m，當(dāng)波高為6 m時(shí)，波幅為3 m，波面接近樁頂部，即當(dāng)波高小于6 m時(shí)，波流主要作用在群樁上;當(dāng)波高大于7 m時(shí)，波幅大于3.5 m，即從該波高開(kāi)始，波流將作用到承臺(tái)上.承臺(tái)的迎水面的面積遠(yuǎn)大于群樁，并且矩形承臺(tái)的水動(dòng)力系數(shù)也大于圓形樁柱，波流產(chǎn)生在承臺(tái)上的作用力將遠(yuǎn)大于群樁.同時(shí)，群樁-承臺(tái)-橋墩下部結(jié)構(gòu)作為一個(gè)底部約束、頂部自由的懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)承臺(tái)受到波流力時(shí)，與僅群樁受到波流力相比，波流力合力作用點(diǎn)將向上偏移，使得該懸臂結(jié)構(gòu)的自由端(即墩頂)產(chǎn)生更大的位移.因此，跨海深水橋梁有必要采用承臺(tái)高出水面的高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)，盡量避免波流荷載作用在承臺(tái)及以上部位.考慮到水流對(duì)波浪的影響，波長(zhǎng)將增大至78 m，根據(jù)波浪破碎的判定方法(H/L)max=1/7，可得當(dāng)波高超過(guò)11 m時(shí)，波浪將發(fā)生破碎.同時(shí)應(yīng)該注意到，線性波理論的適用范圍為槡T g/d＜6(相當(dāng)于d/L＞0.2)，并且H/d≤0.2.由于計(jì)算水深為25 m，因此波高超過(guò)5 m時(shí)，不宜采用線性波理論.在圖7(a)中同時(shí)繪制了 Stokes五階非線性波的計(jì)算結(jié)果.由圖7(a)可知:當(dāng)波高較小時(shí)，Airy線性波和Stokes五階非線性波計(jì)算結(jié)果吻合較好;當(dāng)波高較大時(shí)，Stokes五階非線性波計(jì)算結(jié)果小于Airy線性波結(jié)果，若采用線性波計(jì)算將會(huì)高估結(jié)構(gòu)所受到的波浪力.從表1可知，地震單獨(dú)作用時(shí)，墩頂水平總位移為22.94 cm，說(shuō)明在波高小于6 m時(shí)，地震作用效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位;當(dāng)波高增至9 m時(shí)，波流效應(yīng)導(dǎo)致位移的增量接近地震作用產(chǎn)生的位移;當(dāng)波高超過(guò)9 m后，波流力產(chǎn)生的位移繼續(xù)增大，此后波流力將起主要作用.

(3)水深的影響

由圖7(b)可知:波流與地震共同作用下墩頂水平總位移隨著水深的增大先減小后增大.相比無(wú)水情況(0 m)，在常水位水深(25 m)時(shí)，墩頂位移幅值降低了6.4%;當(dāng)水深為50 m時(shí)，相比無(wú)水環(huán)境和常水位，位移增幅分別為27.5%和36.2%，說(shuō)明水深對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)響應(yīng)有較大的影響;同時(shí)可以知道:當(dāng)水深小于15 m時(shí)，線性波和非線性波計(jì)算結(jié)果有一定出入(此時(shí)為非線性波，線性波浪理論不可用)，然而當(dāng)水深較大時(shí)，兩者計(jì)算結(jié)果基本吻合.

(4)流速的影響

由圖7(c)可知，波流與地震共同作用下墩頂水平總位移隨著水流速度的增大而增大，結(jié)構(gòu)響應(yīng)與水流速度之間存在明顯的非線性關(guān)系.根據(jù)Morison方程和線性波浪理論，若將結(jié)構(gòu)考慮為線彈性，地震所致動(dòng)水力與地震波加速度是線性關(guān)系，波浪力與波浪參數(shù)如波速、水深等是非線性關(guān)系.當(dāng)改變水深時(shí)，即使拖曳力系數(shù)Cd不變，水流力與水流速度也表現(xiàn)為平方關(guān)系.同時(shí)考慮到水深改變，不僅波浪力本身發(fā)生改變，波浪與水流之間的耦合效應(yīng)也將受到影響從而改變結(jié)構(gòu)受力.因此，這些影響的疊加所表現(xiàn)出的非線性體現(xiàn)在圖7(c)中.

(5)周期的影響

由上述分析可知，地震主要成分頻率為1.50 Hz，計(jì)算得到橋墩結(jié)構(gòu)一階自振頻率為0.37 Hz，地震主頻與結(jié)構(gòu)頻率相差較遠(yuǎn).由圖7(d)可知，當(dāng)波浪周期為 2.5 s，即頻率0.40 Hz，與結(jié)構(gòu)頻率接近時(shí)，并未出現(xiàn)預(yù)期中的共振效應(yīng).主要原因是地震荷載改變了波流荷載的頻率，使得地震荷載與波流荷載形成的組合荷載頻率偏離了結(jié)構(gòu)自振頻率，避免了共振的發(fā)生.從本質(zhì)上看，無(wú)論地震荷載還是波流荷載，都是橋墩周圍水質(zhì)點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動(dòng)從而在橋墩上產(chǎn)生動(dòng)水壓力.地震作用時(shí)，可將橋墩視為相對(duì)靜止，將橋墩周圍的水體視為振蕩流，振蕩流的頻率即為地震作用下橋墩的振動(dòng)頻率，波流場(chǎng)與振蕩流場(chǎng)疊加形成整個(gè)流場(chǎng).顯然振蕩流將改變單純波流場(chǎng)中橋墩周圍水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)頻率使得疊加后的流場(chǎng)頻率高于純波流場(chǎng)的頻率但小于地震波的主頻.同時(shí)考慮到水體的存在將使得橋墩的自振頻率比在空氣中略低，橋墩在地震、波流聯(lián)合作用下的振動(dòng)頻率將偏離實(shí)際自振頻率，因此預(yù)期中的共振將不會(huì)發(fā)生.這進(jìn)一步說(shuō)明了波流與地震之間存在相互影響.另外，波浪周期變化之后，波浪力出現(xiàn)峰值的時(shí)刻將發(fā)生變化，波浪力峰值將與該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的地震所致動(dòng)水力進(jìn)行疊加，此刻的地震動(dòng)水力并不一定是地震加速度峰值對(duì)應(yīng)的動(dòng)水力，可能是任意時(shí)刻加速度對(duì)應(yīng)的動(dòng)水力.因此兩者疊加之后將產(chǎn)生毫無(wú)規(guī)律的峰值.同時(shí)考慮到在不同波浪周期下，波浪力的峰值本身也是不同的，因此疊加的結(jié)果將很難體現(xiàn)出規(guī)律性.

4 結(jié) 論

(1)地震-波流聯(lián)合作用下，結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)受到地震波及波流中多個(gè)參數(shù)的影響，地震荷載與波流荷載沒(méi)有必然聯(lián)系，只有針對(duì)具體跨海橋梁，才能判定地震、波流各自對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)貢獻(xiàn)的大小.本文算例中地震荷載對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的貢獻(xiàn)較大，但波流對(duì)地震響應(yīng)的影響不可忽略，波流對(duì)地震響應(yīng)的影響范圍為－31.6%～63.5%，因此有必要進(jìn)行波流與地震的聯(lián)合作用分析.

(2)當(dāng)波流傳播方向與地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值同向時(shí)，可增大結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)峰值;反之，可削減地震反應(yīng)峰值.

(3)波流與地震共同作用下橋墩的響應(yīng)并不是兩者單獨(dú)作用下響應(yīng)值的簡(jiǎn)單累加，波流與地震作用之間存在相互影響.這種影響不僅改變地震響應(yīng)幅值本身，而且改變幅值出現(xiàn)的時(shí)刻，還將使得波流、地震聯(lián)合作用下流場(chǎng)激勵(lì)頻率介于純波流場(chǎng)激勵(lì)頻率和地震激勵(lì)頻率之間.

(4)當(dāng)波流作用在承臺(tái)及以上部位時(shí)，因承臺(tái)迎水面面積遠(yuǎn)大于群樁，矩形承臺(tái)水動(dòng)力系數(shù)也較大，并且波流合力作用位置上移.這些因素共同作用將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)急劇增大，因此建議跨海橋梁采用承臺(tái)高出水面的高樁承臺(tái)來(lái)減小波流作用力.

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