某深水大跨橋梁水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

云高杰， 柳春光,2

(1. 大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院 工程抗震研究所，大連 116024；2. 大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

隨著經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，我國(guó)修建了眾多跨?？缃瓨蛄?，橋梁跨度大，水位深，所處環(huán)境復(fù)雜，在抗震設(shè)計(jì)中具有重大挑戰(zhàn)。我國(guó)位于地震帶上，屬于地震多發(fā)區(qū)域，地震會(huì)引起水體對(duì)橋墩的作用，從而改變橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)[1]。

眾多學(xué)者對(duì)橋梁抗震進(jìn)行了研究。受限于試驗(yàn)設(shè)備，更多進(jìn)行理論分析。王克海等[2]簡(jiǎn)要敘述了橋梁抗震研究概念、方法、設(shè)計(jì)規(guī)范、加固技術(shù)的概況和現(xiàn)狀，展望了橋梁抗震研究的發(fā)展趨勢(shì)。秦泗鳳[3]利用改進(jìn)的適應(yīng)譜Pushover方法對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)修正的方法比傳統(tǒng)方法具有更高的精度。Barbaros等[4]建立隔離橋和非隔離橋的有限元模型，對(duì)橋梁橫橋向和縱橋向進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)使用隔離系統(tǒng)可以減少地震的破壞影響。部分學(xué)者研究了動(dòng)水壓力對(duì)深水橋墩橫橋向地震響應(yīng)的影響[5-6]。Li等[7]對(duì)深水圓柱形空心墩動(dòng)水壓力表達(dá)式進(jìn)行修改和簡(jiǎn)化，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)化的表達(dá)式計(jì)算更精確。Jiang等[8]對(duì)深水圓柱形橋墩動(dòng)水壓力表達(dá)式研究，通過(guò)精細(xì)的數(shù)據(jù)擬合，提出了以橋墩截面半徑和水面高度為主要參數(shù)的動(dòng)水壓力簡(jiǎn)化公式。Wang等[9]研究了在地震地面運(yùn)動(dòng)和入射線性波作用下，水與圓柱的相互作用，進(jìn)而研究了地震作用下群樁的動(dòng)水壓力和波浪力。

隨著試驗(yàn)設(shè)備的完善，學(xué)者們運(yùn)用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究橋梁抗震問(wèn)題；程麥理等[10]對(duì)高墩曲線橋梁進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了不同地震波、不同峰值加速度以及局部場(chǎng)地效應(yīng)對(duì)橋墩損傷及動(dòng)力響應(yīng)的影響。Liang等[11]對(duì)大跨度斜拉橋進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了不同剛度橋梁結(jié)構(gòu)體系的群樁地震響應(yīng)。Jiang等[12]對(duì)一個(gè)高速路連續(xù)梁橋進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雙向地震激勵(lì)的動(dòng)力響應(yīng)要大于單向激勵(lì)。Yi等[13]對(duì)斜拉橋腿塔進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，驗(yàn)證了數(shù)值模型的可行性。嵇冬冰等[14]對(duì)混凝土橋塔進(jìn)行縱橋向振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了不同地震波在相同峰值加速度下橋塔的抗震性能。邵長(zhǎng)江等[15]利用圓形截面獨(dú)柱墩簡(jiǎn)支梁橋模型進(jìn)行了縱橋向整橋振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了不同等級(jí)加速度下橋的損傷狀態(tài)和動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。賴(lài)偉等[16]對(duì)水下樁基礎(chǔ)橋墩進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了動(dòng)水壓力對(duì)水下樁基礎(chǔ)橋墩以及不同地震動(dòng)對(duì)水與結(jié)構(gòu)相互作用的影響。黃信[17]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了動(dòng)水壓力對(duì)深水橋墩結(jié)構(gòu)自振頻率及動(dòng)力響應(yīng)的影響。孫國(guó)帥[18]對(duì)橋梁下部樁墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞性水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了水體對(duì)結(jié)構(gòu)的影響及提出新試驗(yàn)方法為同類(lèi)試驗(yàn)作參考。李喬等[19]開(kāi)展了墩水耦合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。Liu等[20]對(duì)斜拉橋橋塔群樁基礎(chǔ)進(jìn)行了水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)地震作用對(duì)動(dòng)水壓力的影響最大。Ding等[21]以矩形橋墩為模型，進(jìn)行了水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了單獨(dú)地震作用以及聯(lián)合波流等作用下橋墩動(dòng)力響應(yīng)的變化。Li等[22]對(duì)橋墩原型模型和協(xié)調(diào)模型進(jìn)行了水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，證明協(xié)調(diào)相似律能較好反應(yīng)原型的動(dòng)力響應(yīng)。Yun等[23]進(jìn)行了深水橋梁結(jié)構(gòu)橫橋向水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了地震和波流之間聯(lián)合作用的機(jī)理。以上主要研究了地震作用下橫橋向橋墩和群樁基礎(chǔ)與水體的相互作用及大跨度斜拉橋的抗震性能，以上研究對(duì)提高橋梁抗震性能和設(shè)計(jì)水平具有一定的參考意義[24]。

本橋結(jié)構(gòu)的橫橋向和縱橋向結(jié)構(gòu)尺寸不同，進(jìn)而結(jié)構(gòu)的剛度不同，橫橋向要受其他激勵(lì)的影響，為了單獨(dú)研究橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，分析深水大跨橋梁全橋結(jié)構(gòu)模型的抗震性能動(dòng)力特性規(guī)律，按照水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)制作了縮尺深水大跨橋梁模型，進(jìn)行了全橋結(jié)構(gòu)縱橋向不同地震波不同峰值加速度及不同水位的水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)峰值加速度、峰值動(dòng)水壓力以及峰值應(yīng)變的分析，研究了不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，本文研究對(duì)深水大跨橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性規(guī)律和抗震設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

1 深水大跨橋梁試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)原型橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為460 m，寬為13 m,墩高172 m的非對(duì)稱(chēng)深水大跨橋梁，本試驗(yàn)將在大連理工大學(xué)地震、波浪和水流模擬系統(tǒng)上進(jìn)行，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為4 m×3 m，根據(jù)動(dòng)力學(xué)相似原理按1∶220比例制作了全橋結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停虚g橋墩高度一致，兩側(cè)邊墩，4號(hào)橋墩要高于1號(hào)橋墩，選用新型有機(jī)玻璃作為模型材料，彈性模量為3.5 GPa，密度1 150 kg/m3，選取鉛塊(密度11.3 g/cm3)作為配重材料。將制作的各節(jié)段試塊逐層拼裝成為橋梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，拼裝完成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撞颗c鋼板、鋼板與振動(dòng)臺(tái)之間均通過(guò)螺栓連接固定，設(shè)置試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃偷卣鸩ǚ较蛉鐖D1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D(mm)Fig.1 Test model diagram of the bridge (mm)

1.2 比尺相似關(guān)系

本試驗(yàn)主要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)相似原理，包括滿(mǎn)足重力相似、彈性力相似、壓力相似和黏滯力相似，當(dāng)其對(duì)應(yīng)的常數(shù)(Froude常數(shù)、Cauchy常數(shù)、Euler常數(shù)和Reynolds常數(shù))相等時(shí)，才能滿(mǎn)足振動(dòng)和流動(dòng)的相似。但實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中很難滿(mǎn)足所有條件相似，因此試驗(yàn)時(shí)只能抓住重要因素，放棄次要或難以實(shí)現(xiàn)的相似要求。本試驗(yàn)忽略黏滯力相似，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)縱橋向施加激勵(lì)，試驗(yàn)研究?jī)H限于彈性范圍內(nèi)，忽略重力影響，故采用彈性相似律[25]

(1)

式中：λl為幾何比尺；λt為時(shí)間比尺；λE為彈性模量比尺；λρ為密度比尺。原型橋梁結(jié)構(gòu)與模型結(jié)構(gòu)相似比關(guān)系，如表1所示。

表1 動(dòng)力模型相似關(guān)系Tab.1 Dynamic model physical quantity similarity relation

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及加載工況

試驗(yàn)主要獲取的數(shù)據(jù)包括：模型重點(diǎn)處的加速度、應(yīng)變和水下的動(dòng)水壓力，傳感器布置均勻，采樣數(shù)據(jù)具有代表性，■為應(yīng)變傳感器；●為加速度傳感器；▲為動(dòng)水壓力傳感器，傳感器布置如圖2所示。

圖2 傳感器布置圖(mm)Fig.2 Sensors layout (mm)

本次深水大跨全橋結(jié)構(gòu)水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室抗震分實(shí)驗(yàn)室的地震、波流聯(lián)合模擬試驗(yàn)池中進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由振動(dòng)臺(tái)、造浪區(qū)、造流區(qū)和消浪區(qū)組成，其性能指標(biāo)如表2所示。

表2 試驗(yàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)Tab.2 Test simulation system specification

本文主要研究有水環(huán)境下地震對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震作用，沒(méi)有考慮水體對(duì)地震動(dòng)的作用，所以沒(méi)有考慮海底地震動(dòng)作用。采用地下水模擬原型水，滿(mǎn)足原型水與模型水密度相似，則保持了作用在結(jié)構(gòu)上的動(dòng)水壓力的相似性，即考慮了動(dòng)水作用對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)橋梁所處原型場(chǎng)地和本次動(dòng)力試驗(yàn)加載特點(diǎn)，選取3組地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線：一條是按照實(shí)際場(chǎng)地情況根據(jù)規(guī)范加速度反應(yīng)譜生成人工模擬的加速度時(shí)程曲線；一條是在工程設(shè)計(jì)和理論分析中應(yīng)用較廣泛的實(shí)際強(qiáng)震記錄El-Centro波；還有一條是離本試驗(yàn)原型場(chǎng)地較近且造成破壞較大的汶川波,對(duì)地震波按照相似比尺進(jìn)行壓縮，施加到振動(dòng)臺(tái)上。本試驗(yàn)為了能夠得到滿(mǎn)足按時(shí)間比尺進(jìn)行壓縮地震波的要求，首先根據(jù)規(guī)范波、汶川波和El-Centro波生成加速度反應(yīng)譜，然后根據(jù)人工波加速度反應(yīng)譜、汶川波加速度反應(yīng)譜和人工El-Centro波加速度反應(yīng)譜分別生成時(shí)間為300 s的人工規(guī)范波、人工El-Centro波和人工汶川波，最后形成輸入振動(dòng)臺(tái)的地震波，3種地震波如圖3所示，傳感器處理裝置如圖4所示，水中振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D如圖5所示。試驗(yàn)采取分級(jí)加載：一是增加試驗(yàn)對(duì)比性；二是了解試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)體系。在有水和無(wú)水環(huán)境下進(jìn)行白噪聲掃屏，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠翊嬖谌毕菁八w對(duì)模型基頻的影響[26]，試驗(yàn)順序是在地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，0.20g和0.30g下，進(jìn)行無(wú)水(0)、半水位(0.375 m)和正常蓄水位(0.750 m)試驗(yàn)。試驗(yàn)工況如表3所示。

圖3 3種地震波時(shí)程曲線Fig.3 Three earthquakes time history curves

圖4 傳感器防水裝置及改進(jìn)圖Fig.4 Sensor waterproof device and improvement diagram

圖5 水中振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.5 Underwater shaking table test model

表3 試驗(yàn)加載工況Tab.3 Test loading condition

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

為研究試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?dòng)力特性，選取模型中點(diǎn)在縱橋向地震作用下測(cè)得El-Centro波加速度時(shí)程曲線為對(duì)象，對(duì)時(shí)程信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到跨中加速度的頻譜，從而確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂v橋向在無(wú)水(0)和有水水位(0.375 m,0.750 m)下結(jié)構(gòu)的前二階頻率，如表4所示。

表4 動(dòng)力模型頻率Tab.4 Dynamic model frequency

從表4可知：不同水位下，一階陣型頻率和二階陣型頻率不同，正常水位和半水水位一階頻率比無(wú)水水位大，分別為0.11%和0.06%，與單墩動(dòng)力特性不一致[27]，全橋結(jié)構(gòu)水對(duì)橋墩的動(dòng)力特性影響較小；正常水位和半水位的二階頻率比無(wú)水水位小，分別為-0.07%和-0.03%，說(shuō)明水位越深降低幅度越大。此時(shí)動(dòng)水壓力減小了橋墩的自振頻率，且水位越大影響越大。動(dòng)水作為附加質(zhì)量降低了橋墩的自振頻率，這與單墩動(dòng)力特性一致。通過(guò)對(duì)全橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析發(fā)現(xiàn)，全橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性較橋梁?jiǎn)味战Y(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，水體對(duì)結(jié)構(gòu)的影響需要更加深入的研究。

2.2 加速度響應(yīng)分析

跨中結(jié)構(gòu)正常水位3種地震波不同峰值加速度時(shí)程曲線圖，如圖6所示；不同水位測(cè)點(diǎn)與振動(dòng)臺(tái)輸出加速度時(shí)程曲線圖，如圖7所示；不同水位下3種地震波的加速度時(shí)程曲線圖，如圖8所示。

本橋梁結(jié)構(gòu)為縱橋向，剛度較大，加速度響應(yīng)較小，與Yun等研究中的橫橋向剛度不同，施加激勵(lì)峰值不同，雖為同類(lèi)地震波，但是響應(yīng)結(jié)果不同。從圖6可知：當(dāng)作用汶川地震波時(shí)，3種不同峰值加速度得到的時(shí)程曲線比較飽滿(mǎn)；當(dāng)作用規(guī)范波時(shí)，0.10g峰值加速度后期作用明顯，當(dāng)作用El-Centro波時(shí)，0.20g峰值加速度在0～5 s時(shí)間段內(nèi)作用明顯，但這3種地震波，0.30g峰值加速度的時(shí)程曲線最飽滿(mǎn)，主要作用時(shí)間在5～25 s時(shí)間內(nèi)，說(shuō)明作用在結(jié)構(gòu)的加速度越大，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)越大。從圖7可知，測(cè)點(diǎn)測(cè)得的加速度時(shí)程曲線與振動(dòng)臺(tái)輸出加速度時(shí)程曲線的誤差較小，驗(yàn)證了輸入地震波的正確性，不同水位對(duì)振動(dòng)臺(tái)地震波有影響，但是影響較小，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：水體的存在減小了振動(dòng)臺(tái)輸出地震波的峰值，但是誤差在合理的范圍內(nèi)。從圖8可知：作用規(guī)范地震波時(shí)，無(wú)水水位的峰值加速度(0.270g)分別比半水水位(0.262g)和正常水位(0.267g)的峰值加速度增加了3.05%和1.12%，3個(gè)水位的峰值加速度相差較??；當(dāng)作用El-Centro波時(shí)，半水水位的峰值加速度(0.183 6g)分別比無(wú)水水位(0.168 9g)和正常水位(0.166 0g)的峰值加速度增加了8.70%和10.60%；當(dāng)作用汶川波時(shí)，正常水位的峰值加速度(0.225 0g)分別比無(wú)水水位(0.181 5g)和半水水位(0.180 6g)的峰值加速度增加23.97%和24.58%；當(dāng)作用汶川波時(shí)，正常水位峰值加速度增加幅值較大，其次是作用El-Centro波和規(guī)范波時(shí)，說(shuō)明不同地震波，頻譜特性不同，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律不同，動(dòng)力響應(yīng)不同；規(guī)范地震波與結(jié)構(gòu)基頻相差較近，使得共振作用產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)較大，El-Centro波的主頻與結(jié)構(gòu)的基頻相差較遠(yuǎn)，所以產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)較小，與馬瑞的研究一致。但作用規(guī)范波時(shí)，水體對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，汶川波作用下水體對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大；水體對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響的原因是地震引起的動(dòng)水壓力增加了橋梁結(jié)構(gòu)的外力，使得有水條件下的峰值加速度增大，從總體曲線看，半水水位的時(shí)程曲線更加飽滿(mǎn)，所以結(jié)構(gòu)在半水水位下的動(dòng)力響應(yīng)較大。

圖6 3種地震波不同峰值加速度時(shí)程曲線圖Fig.6 Three earthquakes different peak acceleration time history curves

圖7 不同水位測(cè)點(diǎn)與振動(dòng)臺(tái)輸出加速度時(shí)程曲線圖Fig.7 Different water depths test points and shaking table output acceleration time history curves

圖8 3種地震波不同水位加速度時(shí)程曲線圖Fig.8 Three earthquakes different water depths acceleration time history curves

為了研究全橋結(jié)構(gòu)縱橋向在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，借助加速度動(dòng)力放大系數(shù)(dynamic amplification factor，DAF)的概念，即FDA=|a測(cè)點(diǎn)/a振動(dòng)臺(tái)|，即橋梁模型測(cè)點(diǎn)測(cè)得的峰值加速度與振動(dòng)臺(tái)輸出的峰值加速度比值的絕對(duì)值。

3種地震波3號(hào)橋墩不同水位加速度動(dòng)力放大系數(shù)隨橋墩高度的變化曲線，如圖9所示。有水情況下全橋結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力放大系數(shù)曲線，如圖10所示。

圖9 3號(hào)橋墩DAFs隨著橋墩高度的變化曲線Fig.9 No.3 pier DAFs change curves with pier height

圖10 全橋結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的DAFs曲線圖Fig.10 Whole bridge structure test points DAFs curves

從圖9可知：無(wú)論作用哪種地震波，加速度動(dòng)力放大系數(shù)隨橋墩高度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，橋梁頂端的加速度動(dòng)力放大系數(shù)最大。當(dāng)作用規(guī)范波時(shí)，在半水水位得到的加速度動(dòng)力放大系數(shù)最大，達(dá)到了1.130 29； 相較于作用El-Centro波，正常水位的動(dòng)力放大系數(shù)最大值為0.912 26；當(dāng)作用汶川波，無(wú)水水位的動(dòng)力放大系數(shù)最大值為0.762 3；規(guī)范波相較于El-Centro波和汶川波的動(dòng)力放大系數(shù)最大值分別增加了23.97%和48.27%。地震波頻譜特性的不同，使得規(guī)范波作用下得到的加速度動(dòng)力放大系數(shù)大于El-Centro波和汶川波作用下的加速度動(dòng)力放大系數(shù)。

當(dāng)作用規(guī)范波時(shí)，半水水位得到的動(dòng)力放大系數(shù)大于無(wú)水水位和正常水位的動(dòng)力放大系數(shù)，主要原因是從無(wú)水水位到半水水位，動(dòng)水作為附加質(zhì)量，動(dòng)水壓力使得橋墩的動(dòng)力響應(yīng)幅值增加，故加速度動(dòng)力放大系數(shù)半水水位大于無(wú)水水位，當(dāng)水位達(dá)到0.75 m，由于結(jié)構(gòu)柔性運(yùn)動(dòng)引起的水體附加質(zhì)量改變了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，結(jié)構(gòu)剛性運(yùn)動(dòng)會(huì)造成水體對(duì)結(jié)構(gòu)有一個(gè)外力作用，地震的頻譜成分影響等綜合復(fù)雜因素造成的影響，故正常水位的加速度動(dòng)力放大系數(shù)小于無(wú)水水位和半水水位；當(dāng)作用El-Centro波，在橋墩頂端正常水位時(shí)加速度動(dòng)力放大系數(shù)最大，其次是半水水位，正常水位的橋墩中間部位動(dòng)力放大系數(shù)小于半水水位，說(shuō)明地震作用時(shí)，動(dòng)水隨著水位變化作為附加質(zhì)量與阻尼作用交替轉(zhuǎn)換，最后外力作用大于阻尼作用；當(dāng)作用汶川波時(shí)，無(wú)水水位的加速度動(dòng)力放大系數(shù)大于半水水位和正常水位，說(shuō)明作用汶川地震波時(shí)，動(dòng)水一直作為阻尼存在，到橋墩頂端時(shí)，正常水位的加速度動(dòng)力放大系數(shù)大于半水水位，說(shuō)明此時(shí)水體作為阻尼作用在減小，水體的外力作用大于結(jié)構(gòu)柔性運(yùn)動(dòng)引起的水體附加阻尼。

從圖10可知：橋梁結(jié)構(gòu)的梁部位，加速度動(dòng)力放大系數(shù)曲線呈直線水平趨勢(shì)，作用不同地震波，在不同水位的加速度動(dòng)力放大系數(shù)的曲線規(guī)律不同，當(dāng)作用規(guī)范波時(shí)，梁的半水水位的加速度動(dòng)力放大系數(shù)要大于正常水位；當(dāng)作用El-Centro波時(shí)，兩種水位的加速度動(dòng)力放大系數(shù)互有大??；當(dāng)作用汶川波時(shí)，正常水位的動(dòng)力放大系數(shù)要大于半水水位的動(dòng)力放大系數(shù)。說(shuō)明在梁端部位，不同地震頻譜特性對(duì)動(dòng)力放大系數(shù)影響也不同。

2.3 橋梁應(yīng)變分析

不同地震波應(yīng)變隨橋墩高度的曲線圖，如圖11所示；不同水位應(yīng)變隨橋墩高墩的曲線圖，如圖12所示。從圖11可知：在同一橋墩高度，規(guī)范波產(chǎn)生的峰值應(yīng)變大于El-Centro波和汶川波，規(guī)范波和El-Centro波產(chǎn)生的應(yīng)變趨勢(shì)為隨橋墩高度的增加而增加，說(shuō)明作用這兩種地震波時(shí)動(dòng)水起外力作用于結(jié)構(gòu)；當(dāng)作用汶川波時(shí)，峰值應(yīng)變呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)，說(shuō)明動(dòng)水引起的剛性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生外力作用大于阻尼作用，然后外力作用小于阻尼作用。由圖12可知，無(wú)水水位的最大應(yīng)變值在橋墩頂端，半水水位的最大應(yīng)變?cè)陧敹?，但是正常水位的最大?yīng)變值在底端，半水位和正常水位的最小應(yīng)變值(2.539×10-4)和(1.493 9×10-4)分別比無(wú)水水位的最大應(yīng)變值(1.42×10-4)大，幅值增加分別為78.8%和5.2%，半水水位測(cè)得峰值應(yīng)變最大。此規(guī)律與圖9(a)在規(guī)范波作用下加速度動(dòng)力放大系數(shù)規(guī)律一致，綜上說(shuō)明了應(yīng)變的變化規(guī)律與地震波頻譜特性和水位高低有關(guān)系。

2.4 橋墩動(dòng)水壓力分析

正常水位不同地震波動(dòng)水壓力時(shí)程曲線圖，如圖13所示。不同地震波所有測(cè)點(diǎn)的動(dòng)水壓力曲線圖，如圖14所示。從圖13可知：規(guī)范波作用下峰值動(dòng)水壓力隨時(shí)間的時(shí)程曲線和El-Centro波、汶川波不同；當(dāng)作用規(guī)范波0～5 s時(shí)，峰值動(dòng)水圧力較大，由水體不穩(wěn)定產(chǎn)生流動(dòng)或地震頻譜改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)水壓力作用導(dǎo)致；而El-Centro波和汶川波產(chǎn)生的峰值動(dòng)水壓力隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線一致。從圖14可知：測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5處的峰值動(dòng)水壓力最大，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5都位于橋墩底部，說(shuō)明橋墩底部位置的動(dòng)水壓力最大；規(guī)范波產(chǎn)生的峰值動(dòng)水壓力最大(0.098 kPa)，比El-Centro波(0.051 kPa)和汶川波(0.052 kPa)產(chǎn)生的峰值動(dòng)水壓力分別增加92.16%和88.46%，幅值增加較大，此規(guī)律與圖11所得規(guī)律一致，說(shuō)明動(dòng)水壓力影響應(yīng)變。地震波的頻譜特性也影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化規(guī)律。

圖11 不同地震波應(yīng)變隨橋墩高度變化的曲線Fig.11 Different earthquakes strain with pier height curves

圖12 不同水位應(yīng)變隨橋墩高墩的曲線Fig.12 Different water depth strain with pier height curves

圖13 不同地震波動(dòng)水壓力隨時(shí)間變化時(shí)程曲線圖Fig.13 Different earthquakes hydrodynamic pressurewith time history curves

圖14 不同地震波不同測(cè)點(diǎn)的動(dòng)水壓力曲線圖Fig.14 Different earthquakes different test points hydrodynamic pressure curves

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)深水大跨全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱橋向水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 水體影響橋梁結(jié)構(gòu)基頻，全橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性比單一橋墩的動(dòng)力特性復(fù)雜，對(duì)全橋結(jié)構(gòu)而言正常水位和半水水位要比無(wú)水水位的一階頻率分別增加0.11%和0.06%；正常水位和半水水位要比無(wú)水水位的二階頻率分別減小0.07%和0.03%。

(2) 地震作用下，水體會(huì)影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，梁與橋墩的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律一致，全橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)與輸入的地震頻譜特性和水位高低有關(guān)。在同一地震級(jí)別下，規(guī)范波產(chǎn)生的峰值加速度、加速度動(dòng)力放大系數(shù)、應(yīng)變和動(dòng)水壓力都要大于其他地震波，一般來(lái)說(shuō)，半水水位產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)大于其他水位。

(3) 動(dòng)水壓力隨著水位的不同而不同，橋梁底端處的峰值動(dòng)水圧力最大，應(yīng)變和動(dòng)水壓力之間有一定關(guān)系，動(dòng)水壓力的存在會(huì)增大應(yīng)變值。因此進(jìn)行全橋結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，一定要考慮橋梁所處的地震烈度區(qū)以及水體高度對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響。