深水橋梁的地震響應分析

【摘要】本文以一深水連續剛構橋為分析對象，通過Morison方程考慮動水壓力，采用ANSYS建立有限元模型計算橋梁的線性地震響應；采用Perform-3D建立計算模型計算橋梁的非線性地震響應?；谟嬎憬Y果，討論了動水壓力對深水橋梁的線性和非線性地震響應的影響，比較了深水橋梁線性與非線性地震響應的差異。

【關鍵詞】深水橋梁；動水壓力；非線性；地震響應

很多學者都對處于深水中的橋梁進行大量的研究，江輝[1]采用基于流固耦合理論的勢流體的計算方法對近、遠場地震作用下等效單墩結構振動特性及動力響應進行對比分析。曾金明[2] 采用FSI流固耦合方法分析了深水橋墩的地震響應，并對影響地震響應的水深、水域面積及壁厚等因素進行分析；黃信[3]分別采用Morison方程和輻射波浪理論分析動水壓力對橋墩地震響應的影響。本文以一深水橋梁為研究對象，考慮動水壓力對深水橋墩的線性和非線性地震響應影響。

1、工程概況

巖灣河大橋主橋跨徑布置為（95+180+95）m，橋面寬度為12.25m，主梁采用變高度預應力混凝土單箱單室箱梁，箱梁高度以及箱梁底板厚度按1.8次拋物線變化。主橋橋墩采用雙肢矩形空心墩，橋墩沿順橋寬度為3.5m，沿橫橋寬度為9.0m，壁厚均為0.9m，肢間凈距7.0m；墩高為80m。本文以巖灣河大橋為研究對象，采用Morison[4，5]方程考慮動水壓力，計算了深水橋墩的地震響應。采用有限元程序Ansys對全橋建立三維空間有限元模型，無水和有水時（水深為64m）的有限元模型圖如圖1。

（a）無水

（b）有水

2、動力特性計算

分別計算出不考慮水作用以及采用Morison方程考慮動水壓力時橋梁的自振頻率。表1列出了兩種情況下前20階橋梁的自振頻率及自振周期。

在同一階振型下，有水時的自振頻率均小于無水狀態下的自振頻率。無水時，該橋的第一階自振頻率為0.2747Hz，考慮水對橋墩的影響后橋梁的自振頻率為0.2519 Hz，比無水時下降了。

3、線性地震響應分析

選擇了El-Centro地震波、Mexico地震波和Taft地震波進行輸入[6]，對巖灣橋進行地震響應分析。表2和表3分別列出了El-Centro地震波作用下順橋向、橫橋向橋墩墩頂和墩底內力響應值。

由表2和表3可知，以1號橋墩為例，相對于無水情況，有水時的橋墩沿著順橋方向墩頂剪力的增加量為252kN；增長率為5.17%；墩頂彎矩的增加量為3509kN.m；增長率為3.56%；墩底剪力的增加量為999kN；增長率為15.14%；墩底彎矩的增加量為24898kN.m；增長率為4.75%。

由上述分析可知，（1）相對于無水，動水壓力增大了深水橋墩地震響應值的影響；（2）對比動水壓力對橋墩剪力和橋墩彎矩的影響，相同情況下，動水壓力對墩底剪力的影響要大于對墩底彎矩的影響；（3）對比墩頂內力和墩底內力的影響，相同情況下，動水壓力對墩底內力的影響大于對墩頂內力的影響。

（a）順橋向

（b）橫橋向

圖2 1號橋墩墩頂位移時程曲線

圖2為1號橋墩墩頂位移時程曲線。從圖2可以看出，考慮動水壓力的作用增大了墩頂位移的最大響應值，并且使墩頂最大位移發生的時刻也有所改變；對比順橋向和橫橋向兩圖，動水壓力對順橋方向橋墩墩頂位移的影響明顯大于橫橋方向。

4、非線性地震響應分析

為了分析處于深水中的橋梁水對橋墩非線性地震響應的影響，采用Perform-3D分別建立無水和有水兩種計算模型。橋墩采用纖維模型，橋墩的纖維劃[7，8]分見圖3。

為了分析動水壓力對深水橋梁的非線性的地震響應的影響，現將非線性計算得到的沿順橋方向橋墩主要截面的最大曲率響應列于表4，1號橋墩在EL-CENTRO地震作用下墩底的滯回曲線如圖4所示。

1）無水

2）有水

圖4 1號橋墩墩底彎矩-曲率滯回曲線

從1號橋墩主要截面的最大曲率響應可以看出，考慮了動水壓力后，在順橋向地震作用下，橋墩的最大曲率響應有一定的增加，增幅為10%-20%。

結論：

（1）考慮水對橋墩的影響，動水壓力減小了橋梁的自振頻率，增大了橋墩的地震響應值，改變了地震最大響應值發生的時刻；

（2）對比動水壓力對橋墩剪力和橋墩彎矩的影響，相同情況下，動水壓力對墩底剪力的影響要大于對墩底彎矩的影響；對比墩頂內力和墩底內力的影響，相同情況下，動水壓力對墩底內力的影響大于對墩頂內力的影響。

（3）橋墩進入非線性后，應采用非線性分析的方法考慮深水橋墩的地震響應。

參考文獻：

[1]江輝，楚芹，王寶喜。近遠場地震下深水橋墩動力響應特性對比研究[J].振動與沖擊，2014，22：58-66

[2]曾金明，張潔.基于流固耦合方法的深水橋墩地震響應分析[J].中外公路，2014，02-0165-06.

[3]黃信，李忠獻.動水壓力作用對深水橋墩地震響應的影響[J].土木工程學報，2011，01-0066-09.

[4]Morison J ，O'Brien M，Johnson J，et al.\"The Force Exerted by Surface Wave on Piles\"，Petroleum Transactions.AIME，1950，189：149-154.

[5]張潔，朱東生，張永水，等.考慮動水壓力作用的深水橋墩地震響應分析[J].重慶交通大學學報，2012，3：357-361