基于流固耦合效應(yīng)的深水大跨剛構(gòu)橋抗震性能研究

余君宇 楊凱文 孫雪倩 李卓宇 徐子豪 李悅

摘 要：為了促進(jìn)深水橋梁抗震性能的提高，基于流固耦合理論，對(duì)考慮結(jié)構(gòu)—水相互作用效應(yīng)的深水大跨度剛構(gòu)橋進(jìn)行了地震動(dòng)力響應(yīng)分析，文章研究了水位變化對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，水深對(duì)大跨剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)有較大影響，高烈度區(qū)橋梁在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮水深對(duì)橋梁抗震能力的影響。

關(guān)鍵詞：流固耦合;有限元分析;剛構(gòu)橋;深水橋梁

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)在地震中極易遭受破壞，但在震后的緊急救援和災(zāi)后重建中，又發(fā)揮著極其重要的作用。如何最大限度降低地震破壞，確保橋梁工程在地震中的安全性和可靠性，已成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的課題[1]。

由于目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深水庫(kù)區(qū)橋梁抗震設(shè)計(jì)方面的研究成果較少，現(xiàn)行《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)此類橋梁的抗震設(shè)計(jì)也無(wú)具體規(guī)定，設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法均缺乏成熟的理論依據(jù)，成為國(guó)內(nèi)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的盲區(qū)[2]。對(duì)高烈度區(qū)深水庫(kù)區(qū)剛構(gòu)橋進(jìn)行地震性能分析研究，將有助于完善該類橋梁的抗震設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)水平的提高，對(duì)深水庫(kù)區(qū)橋梁的抗震設(shè)計(jì)工作具有重要的指導(dǎo)意義[3]。

1? ? 工程概況

以一座7跨1 260 m連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，主橋跨徑布置為（70+5×120+70 m），橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用雙薄壁墩、矩形承臺(tái)、樁基礎(chǔ)，橋梁布置示意圖如圖1所示。

2? ? 橋梁有限元模型

采用有限元分析軟件對(duì)小江特大橋進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。基于流固耦合理論的，考慮正常蓄水位、汛期限制水位和死水位3種水深情況，進(jìn)行橋梁動(dòng)力響應(yīng)分析。

橋墩和水體分別采用3D—Solid單元、3D—Fluid單元模擬，模型中水體取20倍橋墩尺寸寬度范圍（見(jiàn)圖2）。橋墩底部固結(jié)，水體表面和側(cè)面分別按自由液面和無(wú)限遠(yuǎn)邊界進(jìn)行設(shè)置。

3? ? 橋梁地震動(dòng)力響應(yīng)分析

為了研究地震作用下，動(dòng)水對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響，對(duì)比橋墩在無(wú)水、汛期限制水位和正常蓄水位3種情況下的動(dòng)力響應(yīng)。

隨著水深的增大，橋梁各墩墩頂位移也在增大? ? ? ? ? （見(jiàn)圖3），尤其是以P11和P12號(hào)墩增加最多。其中當(dāng)?shù)卣饎?dòng)沿縱橋向作用于橋梁時(shí)，邊墩P9、P13和P14位移峰值增加較多，平均可達(dá)40%。各橋墩墩底彎矩峰值增幅較為一致，正常蓄水位時(shí)比無(wú)水時(shí)橋墩墩底彎矩平均增加了250%? ? ? （見(jiàn)圖4）。墩底剪力峰值增幅相比較較為平均，在正常蓄水位時(shí)比無(wú)水時(shí)橋墩墩底剪力平均增加了300%。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

為了促進(jìn)深水橋梁抗震設(shè)計(jì)能力的提高，基于流固耦合理論，對(duì)考慮結(jié)構(gòu)—水相互作用效應(yīng)的深水大跨度剛構(gòu)橋進(jìn)行了地震動(dòng)力響應(yīng)分析，研究了水位變化對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，水深對(duì)大跨剛構(gòu)橋的墩頂位移，墩底彎矩和剪力等都有較大影響，高烈度區(qū)橋梁在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮水深對(duì)橋梁抗震能力的影響。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李悅，王克海，李茜，等.動(dòng)水對(duì)深水大跨剛構(gòu)橋地震響應(yīng)影響[J].公路交通科技，2011（12）：76-81.

[2]江輝，金佳敏，王志剛，等.基于IDA的深水連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩概率性地震損傷特性[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2017（12）：89-100.

[3]李悅.強(qiáng)震作用下動(dòng)水壓力對(duì)深水橋梁動(dòng)力性能的影響研究[D].北京：北京科技大學(xué)，2010.

（編輯 傅金睿）