楊竟南 何雄君

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

水深對(duì)橋梁地震效應(yīng)的影響分析*

楊竟南 何雄君

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

結(jié)合工程實(shí)例，以某水庫(kù)中的連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究水深?duì)橋梁地震效應(yīng)的影響.計(jì)算了橋梁在無(wú)水狀態(tài)下地震的動(dòng)力響應(yīng)，模擬有水狀態(tài)下橋墩與流體的耦合作用，建立了不同水深狀態(tài)下的有限元模型，計(jì)算了不同水深時(shí)地震的動(dòng)力響應(yīng)并做了對(duì)比分析.結(jié)果表明，隨著水深的增加，水對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生了重大影響，橋梁在地震作用下的應(yīng)力有增加的趨勢(shì)，且縱橋向地震波作用下，地震響應(yīng)比橫橋向地震波作用下響應(yīng)要?jiǎng)×?

深水橋梁；水深；地震效應(yīng)；流固耦合

0 引 言

基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防戰(zhàn)略和海洋資源開(kāi)發(fā)的需要，在未來(lái)幾十年內(nèi)，我國(guó)將在瓊州海峽、臺(tái)灣海峽、渤海灣等建設(shè)一批跨海橋梁工程，這些橋梁的墩柱和基礎(chǔ)處于深水之中，且多在地震區(qū)，將不可避免地經(jīng)受地震作用及其所引起的動(dòng)水流、海嘯的擾動(dòng)，一旦破壞，后果將異常嚴(yán)重.因此，深水橋梁的抗震研究至關(guān)重要，而橋梁-水耦合的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)是抗震設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，是其核心問(wèn)題之一.

計(jì)入流固耦合影響的深水橋梁的動(dòng)力效應(yīng)問(wèn)題比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外研究成果不多，尚不能滿足工程要求，有待進(jìn)行探索[1-3].本文結(jié)合工程，進(jìn)行深水橋梁地震效應(yīng)的理論研究，探索深水橋梁地震效應(yīng)的規(guī)律和特點(diǎn)，為其抗震設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ).

1 橋梁概況

某大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋全長(zhǎng)332.0 m，設(shè)計(jì)橋型為85 m+150 m+85 m，橋型布置圖見(jiàn)圖1.橋梁全寬11.0 m，行車(chē)道寬9.0 m，兩邊人行道及欄桿各寬1.0 m.該橋位于水庫(kù)中，受水庫(kù)蓄水和放水的影響，常年水位變化十分明顯.

圖1 橋型布置圖

橋梁上部結(jié)構(gòu)為單箱單室，混凝土標(biāo)號(hào)為C50，橋面寬為11 m，底寬6 m，墩頂梁高為9 m，跨中梁高為3.5 m，中間以1.8次拋物線過(guò)度.主橋橋墩設(shè)計(jì)為矩形鋼筋砼雙薄壁，混凝土標(biāo)號(hào)為C40，主橋橋墩橫橋向尺寸為6.0 m，單壁縱橋向尺寸為2.5 m，墩高58 m. 0，3號(hào)橋臺(tái)為U形重力式橋臺(tái)，剛性擴(kuò)大基礎(chǔ).

2 計(jì)算方法與模型

2.1 無(wú)水狀態(tài)下的計(jì)算模型

采用有限元軟件ANSYS12.1建立三維空間有限元模型，橋墩和主梁采用SOLID45單元進(jìn)行建模，SOLID45單元為三維實(shí)體單元.墩底設(shè)為固結(jié)，梁端約束豎向位移、橫向位移和繞橋軸向的扭轉(zhuǎn).建模完成后劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分采用逐步加密原則，劃分完成后，共建立72 903個(gè)單元，有限元模型見(jiàn)圖2.

圖2 ANSYS有限元模型

2.2 有水狀態(tài)下的計(jì)算模型

假定水為理想流體，橋墩周?chē)乃蚣俣闊o(wú)限水域，反復(fù)的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)橋墩周?chē)乃虺^(guò)一定范圍時(shí)，超過(guò)范圍的水域?qū)蛄旱挠绊懞苄?，可以忽略不?jì)[4].因此，在計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以選取一定范圍內(nèi)的水域進(jìn)行計(jì)算.本文選取的水域范圍為橋墩半徑的5倍，根據(jù)計(jì)算，每個(gè)橋墩周?chē)x取的水域面積為30 m×40 m=1 200 m2,

橋梁上部結(jié)構(gòu)和橋墩均采用SOLID45單元進(jìn)行建模，采用FLUID30單元模擬水單元.其中，SOLID45單元為三維實(shí)體單元；FLUID30單元為三維聲學(xué)流體單元，直接與結(jié)構(gòu)接觸的流體單元使用FLUID30(PRESENT)單元，非直接接觸流體單元使用FLUID30(ABSENT)單元.指定流體和結(jié)構(gòu)分界面處結(jié)構(gòu)是否存在利用KEYOPT(2)來(lái)進(jìn)行指定，即當(dāng)KEYOPT(2)= 0 表示分界面處有結(jié)構(gòu)，KEYOPT(2)= 1表示分界面處無(wú)結(jié)構(gòu).在流體和固體接觸的交界面上，采用FSI標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)記.并在水體外圍施加壓力為零的邊界條件.

總共建立5個(gè)模型，分別為水深10，20，30，40，50 m，建立有限元模型，見(jiàn)圖3.

圖3 不同水深時(shí)的結(jié)構(gòu)模型

3 地震波的選擇

根據(jù)本橋的地質(zhì)資料，參照《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004-89)，按Ⅲ類場(chǎng)地土計(jì)算，基本烈度為7度的標(biāo)準(zhǔn)，地震波采用“中國(guó)天津(1976)地震記錄”，天津波的記錄時(shí)長(zhǎng)為5 s，時(shí)間間隔為0.01 s.從記錄值中每0.1 s取一個(gè)值，一共取50個(gè)值.對(duì)于原始的記錄數(shù)據(jù)按以下方式進(jìn)行處理，然后在ANSYS中進(jìn)行輸入.

圖4 調(diào)整后的天津波加速度時(shí)程曲線

4 有水狀態(tài)下地震效應(yīng)時(shí)程分析

在計(jì)算地震效應(yīng)時(shí)考慮水對(duì)地震效應(yīng)的影響，進(jìn)行時(shí)程分析，計(jì)算水深10，20，30，40，50 m情況下結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力，分別計(jì)算墩頂位移、中跨跨中位移、墩底與墩頂應(yīng)力時(shí)程以及中跨跨中應(yīng)力時(shí)程.本文采用的地震波輸入方式為橫橋向與縱橋向分別輸入，分別計(jì)算其位移及應(yīng)力時(shí)程[6-7].由于在地震波作用下，結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力隨時(shí)間變化，故取其在地震波作用下的位移和應(yīng)力峰值，即MIN和MAX位移及應(yīng)力.

計(jì)算結(jié)果按照橫橋向和縱橋向分別分析，計(jì)算不同水深狀態(tài)下與無(wú)水狀態(tài)下位移與應(yīng)力的變化率.計(jì)算公式定義為

×100%

(1)

×100%

(2)

其中，有水時(shí)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力分為10，20，30，40，50m5種情況計(jì)算.分別計(jì)算不同水深下位移與應(yīng)力的min值與max值與無(wú)水狀態(tài)下的差異.

4.1 橫橋向地震波作用下計(jì)算結(jié)果分析

1)位移變化分析 在橫橋向地震波作用下，

按式(1)計(jì)算得不同水深條件下墩頂與跨中位移峰值與無(wú)水條件下位移峰值的變化率，見(jiàn)圖5.

圖5 墩頂與跨中位移變化率

由圖5可知，隨著水深增加，墩頂和跨中節(jié)點(diǎn)的位移呈增大趨勢(shì).其中，10～30m水深時(shí)變化不明顯，水深達(dá)到40m時(shí)變化率逐步增大，50m水深時(shí)達(dá)到最大，最大變化率接近5%.由此可以看出，在水深較淺時(shí)，水對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響較小，水深較大時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較為顯著.

2) 應(yīng)力變化分析 由計(jì)算知在橫橋向地震波下，墩底應(yīng)力較大，而墩頂和跨中應(yīng)力較小，在不同水深條件下，應(yīng)力均不到1MPa，故比較墩頂和跨中的應(yīng)力意義不大，僅比較墩底的應(yīng)力變化.按照式(2)計(jì)算得不同水深條件下墩底x(橫橋向)、y(縱橋向)、z(豎向)應(yīng)力變化率，見(jiàn)圖6.

圖6 橫橋向地震波作用下墩底節(jié)點(diǎn)各方向應(yīng)力變化率

由圖6可知，在橫橋向地震波作用下，隨著水深增加，墩底應(yīng)力明顯增大，10 m水深時(shí)x，y，z3個(gè)方向的應(yīng)力相比無(wú)水狀態(tài)時(shí)最大增幅約10%，隨著水深繼續(xù)增加，墩底應(yīng)力也持續(xù)增大，至50 m時(shí)，最終增加約16%.

4.2 縱橋向地震波作用下計(jì)算結(jié)果分析

在縱橋向地震波作用下，結(jié)構(gòu)在不同水深條件下位移變化率的規(guī)律與橫橋向地震波作用下相似，故不再單獨(dú)討論，僅分析結(jié)構(gòu)在不同水深下應(yīng)力變化率的規(guī)律.由計(jì)算結(jié)果可知，在縱橋向地震波作用下，結(jié)構(gòu)的墩底產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，故對(duì)墩底應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行分析.

按照式(2)計(jì)算得不同水深條件下墩底x(橫橋向)、y(縱橋向)、z(豎向)應(yīng)力變化率，見(jiàn)圖7.

圖7 縱橋向地震波作用下墩底節(jié)點(diǎn)各方向應(yīng)力變化率

由圖7可知，有水狀態(tài)時(shí)，在縱橋向地震波作用下，墩底x，y，z3個(gè)方向的應(yīng)力變化率相似，但與橫橋向地震波作用下應(yīng)力變化規(guī)律有較大的區(qū)別.以圖7墩底節(jié)點(diǎn)z方向應(yīng)力變化率為例，在縱橋向地震波作用下，水深增大時(shí)應(yīng)力變化并非一致增大，而出現(xiàn)了減小的情況，例如墩底應(yīng)力的最大應(yīng)力即拉應(yīng)力隨水深增加而逐漸減小.

同一節(jié)點(diǎn)的min與max即壓應(yīng)力與拉應(yīng)力變化規(guī)律呈相反趨勢(shì)但變化程度不一致，例如，墩底應(yīng)力min即壓應(yīng)力隨水深增加而增加，水深為10 m時(shí)，相比無(wú)水狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力增大約10%，隨著水深增加，最大壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)水深達(dá)到30 m時(shí)，應(yīng)力變化出現(xiàn)了平穩(wěn)期，30～40 m應(yīng)力變化不明顯，而40 m以后應(yīng)力變化明顯，最大變化率為44%.墩底應(yīng)力max即最大拉應(yīng)力在縱向地震波作用下，隨著水深增加而逐漸減小，當(dāng)水深達(dá)到40 m時(shí)，也同樣變化較為明顯，當(dāng)水深達(dá)到50 m時(shí)，變化率為32%.

5 結(jié) 論

1) 考慮水的情況下，隨著水深的增加，結(jié)構(gòu)的位移基本呈增大的趨勢(shì)，且水深越大，變化幅度越明顯，當(dāng)水深超過(guò)40 m時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移明顯增大.

2) 進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，考慮水的情況下，隨著水深的增加，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力同樣有增大的趨勢(shì)，其中，在縱橋向地震波作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化更為明顯，當(dāng)水深達(dá)到50 m時(shí)，應(yīng)力增幅在50%左右.在橫橋向地震波作用下，隨著水深增加，當(dāng)水深達(dá)到50 m時(shí)，應(yīng)力增幅可達(dá)到17%.由此可見(jiàn)，水對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)有較大的影響，深水橋梁的計(jì)算應(yīng)考慮水的因素，在實(shí)際工程計(jì)算中，忽略此因素的影響將會(huì)導(dǎo)致偏于不安全的計(jì)算結(jié)果.

[1]劉 惠.深水斜拉橋地震響應(yīng)數(shù)值研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

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[3]高學(xué)奎,朱 晞.地震動(dòng)水壓力對(duì)深水橋墩的影響[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,30(1):55-58.

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Study on the Impact of Water Depth on Seismic Response of Bridge

YANG Jingnan HE Xiongjun

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

A continuous rigid frame bridge was taking as engineering background to study the impact of water depth on seismic response of bridge, the dynamic response of the bridge in anhydrous condition was calculated. The fluid-solid interaction between piers and water was simulated and finite element models under different water depth condition were established, the dynamic response analysis was carried out in order to compare with anhydrous condition. The results showed that with the increase of water depth, it had a significant impact on the stress of bridge structure. As the water depth increased, the stress of the structure was increased, and the seismic response was violent when the orientation of seismic waves was along the bridge.

deep-water bridge; water depth; seismic effects; fluid-solid interaction

2015-03-30

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：51178361)

U44

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.019

楊竟南(1987- )：男，博士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闃蛄汗こ?/p>