水深對橋梁地震效應的影響分析*

楊竟南 何雄君

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

水深對橋梁地震效應的影響分析*

楊竟南 何雄君

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

結合工程實例，以某水庫中的連續(xù)剛構橋為工程背景，研究水深對橋梁地震效應的影響.計算了橋梁在無水狀態(tài)下地震的動力響應，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，計算了不同水深時地震的動力響應并做了對比分析.結果表明，隨著水深的增加，水對橋梁結構的內(nèi)力產(chǎn)生了重大影響，橋梁在地震作用下的應力有增加的趨勢，且縱橋向地震波作用下，地震響應比橫橋向地震波作用下響應要劇烈.

深水橋梁；水深；地震效應；流固耦合

0 引 言

基于經(jīng)濟發(fā)展、國防戰(zhàn)略和海洋資源開發(fā)的需要，在未來幾十年內(nèi)，我國將在瓊州海峽、臺灣海峽、渤海灣等建設一批跨海橋梁工程，這些橋梁的墩柱和基礎處于深水之中，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水流、海嘯的擾動，一旦破壞，后果將異常嚴重.因此，深水橋梁的抗震研究至關重要，而橋梁-水耦合的動力特性和動力響應是抗震設計的理論基礎，是其核心問題之一.

計入流固耦合影響的深水橋梁的動力效應問題比較復雜，國內(nèi)外研究成果不多，尚不能滿足工程要求，有待進行探索[1-3].本文結合工程，進行深水橋梁地震效應的理論研究，探索深水橋梁地震效應的規(guī)律和特點，為其抗震設計提供理論基礎.

1 橋梁概況

某大跨度連續(xù)剛構橋全長332.0 m，設計橋型為85 m+150 m+85 m，橋型布置圖見圖1.橋梁全寬11.0 m，行車道寬9.0 m，兩邊人行道及欄桿各寬1.0 m.該橋位于水庫中，受水庫蓄水和放水的影響，常年水位變化十分明顯.

圖1 橋型布置圖

橋梁上部結構為單箱單室，混凝土標號為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次拋物線過度.主橋橋墩設計為矩形鋼筋砼雙薄壁，混凝土標號為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號橋臺為U形重力式橋臺，剛性擴大基礎.

2 計算方法與模型

2.1 無水狀態(tài)下的計算模型

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單元進行建模，SOLID45單元為三維實體單元.墩底設為固結，梁端約束豎向位移、橫向位移和繞橋軸向的扭轉.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個單元，有限元模型見圖2.

圖2 ANSYS有限元模型

2.2 有水狀態(tài)下的計算模型

假定水為理想流體，橋墩周圍的水域假定為無限水域，反復的計算與實驗表明，當橋墩周圍的水域超過一定范圍時，超過范圍的水域對橋梁的影響很小，可以忽略不計[4].因此，在計算時，為了簡化計算，可以選取一定范圍內(nèi)的水域進行計算.本文選取的水域范圍為橋墩半徑的5倍，根據(jù)計算，每個橋墩周圍選取的水域面積為30 m×40 m=1 200 m2,

橋梁上部結構和橋墩均采用SOLID45單元進行建模，采用FLUID30單元模擬水單元.其中，SOLID45單元為三維實體單元；FLUID30單元為三維聲學流體單元，直接與結構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.指定流體和結構分界面處結構是否存在利用KEYOPT(2)來進行指定，即當KEYOPT(2)= 0 表示分界面處有結構，KEYOPT(2)= 1表示分界面處無結構.在流體和固體接觸的交界面上，采用FSI標簽進行標記.并在水體外圍施加壓力為零的邊界條件.

總共建立5個模型，分別為水深10，20，30，40，50 m，建立有限元模型，見圖3.

圖3 不同水深時的結構模型

3 地震波的選擇

根據(jù)本橋的地質資料，參照《公路工程抗震設計規(guī)范》(JTJ004-89)，按Ⅲ類場地土計算，基本烈度為7度的標準，地震波采用“中國天津(1976)地震記錄”，天津波的記錄時長為5 s，時間間隔為0.01 s.從記錄值中每0.1 s取一個值，一共取50個值.對于原始的記錄數(shù)據(jù)按以下方式進行處理，然后在ANSYS中進行輸入.

圖4 調整后的天津波加速度時程曲線

4 有水狀態(tài)下地震效應時程分析

在計算地震效應時考慮水對地震效應的影響，進行時程分析，計算水深10，20，30，40，50 m情況下結構的位移及應力，分別計算墩頂位移、中跨跨中位移、墩底與墩頂應力時程以及中跨跨中應力時程.本文采用的地震波輸入方式為橫橋向與縱橋向分別輸入，分別計算其位移及應力時程[6-7].由于在地震波作用下，結構的位移和應力隨時間變化，故取其在地震波作用下的位移和應力峰值，即MIN和MAX位移及應力.

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

×100%

(1)

×100%

(2)

其中，有水時結構的位移和應力分為10，20，30，40，50m5種情況計算.分別計算不同水深下位移與應力的min值與max值與無水狀態(tài)下的差異.

4.1 橫橋向地震波作用下計算結果分析

1)位移變化分析 在橫橋向地震波作用下，

按式(1)計算得不同水深條件下墩頂與跨中位移峰值與無水條件下位移峰值的變化率，見圖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)點的位移呈增大趨勢.其中，10～30m水深時變化不明顯，水深達到40m時變化率逐步增大，50m水深時達到最大，最大變化率接近5%.由此可以看出，在水深較淺時，水對結構位移的影響較小，水深較大時，對結構的影響較為顯著.

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

圖6 橫橋向地震波作用下墩底節(jié)點各方向應力變化率

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

4.2 縱橋向地震波作用下計算結果分析

在縱橋向地震波作用下，結構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，故不再單獨討論，僅分析結構在不同水深下應力變化率的規(guī)律.由計算結果可知，在縱橋向地震波作用下，結構的墩底產(chǎn)生了較大的應力，故對墩底應力變化規(guī)律進行分析.

按照式(2)計算得不同水深條件下墩底x(橫橋向)、y(縱橋向)、z(豎向)應力變化率，見圖7.

圖7 縱橋向地震波作用下墩底節(jié)點各方向應力變化率

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

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

5 結 論

1) 考慮水的情況下，隨著水深的增加，結構的位移基本呈增大的趨勢，且水深越大，變化幅度越明顯，當水深超過40 m時，結構的位移明顯增大.

2) 進行時程分析時，考慮水的情況下，隨著水深的增加，結構的應力同樣有增大的趨勢，其中，在縱橋向地震波作用下，結構的應力變化更為明顯，當水深達到50 m時，應力增幅在50%左右.在橫橋向地震波作用下，隨著水深增加，當水深達到50 m時，應力增幅可達到17%.由此可見，水對結構的動力響應有較大的影響，深水橋梁的計算應考慮水的因素，在實際工程計算中，忽略此因素的影響將會導致偏于不安全的計算結果.

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

[2]鄭史雄.深水橋墩考慮液固相互作用的地震反應分析[J].橋梁建設，1998(1):52-54.

[3]高學奎,朱 晞.地震動水壓力對深水橋墩的影響[J].北京交通大學學報，2006,30(1):55-58.

[4]楊吉新,張 可,黨慧慧.基于ANSYS 的流固耦合動力分析方法[J]. 船海工程，2008,37(6):86-89.

[5]李 圍,葉裕明,劉春山.ANSYS土木工程應用實例[J].北京：中國水利水電出版社，2007.

[6]朱詩頌.丹江口水庫二橋考慮水作用時的地震反應分析[J].武漢理工大學學報，2006,28(10):85-88.

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

*國家自然科學基金項目資助(批準號：51178361)

U44

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.019

楊竟南(1987- )：男，博士生，主要研究領域為橋梁工程