基于流固耦合效應的深水大跨剛構橋抗震性能研究

余君宇 楊凱文 孫雪倩 李卓宇 徐子豪 李悅

摘 要：為了促進深水橋梁抗震性能的提高，基于流固耦合理論，對考慮結構—水相互作用效應的深水大跨度剛構橋進行了地震動力響應分析，文章研究了水位變化對橋梁地震響應的影響。結果表明，水深對大跨剛構橋的地震響應有較大影響，高烈度區橋梁在進行設計時應考慮水深對橋梁抗震能力的影響。

關鍵詞：流固耦合;有限元分析;剛構橋;深水橋梁

0 引言

橋梁結構在地震中極易遭受破壞，但在震后的緊急救援和災后重建中，又發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，已成為人們越來越關注的課題[1]。

由于目前國內外學者對深水庫區橋梁抗震設計方面的研究成果較少，現行《公路橋梁抗震設計規范》中對此類橋梁的抗震設計也無具體規定，設計理論和設計方法均缺乏成熟的理論依據，成為國內橋梁抗震設計規范的盲區[2]。對高烈度區深水庫區剛構橋進行地震性能分析研究，將有助于完善該類橋梁的抗震設計方法，促進我國橋梁抗震設計水平的提高，對深水庫區橋梁的抗震設計工作具有重要的指導意義[3]。

1? ? 工程概況

以一座7跨1 260 m連續剛構橋為研究對象，主橋跨徑布置為（70+5×120+70 m），橋梁上部結構采用預應力混凝土變截面連續剛構，下部結構采用雙薄壁墩、矩形承臺、樁基礎，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小江特大橋進行動力時程分析。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，進行橋梁動力響應分析。

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（見圖2）。橋墩底部固結，水體表面和側面分別按自由液面和無限遠邊界進行設置。

3? ? 橋梁地震動力響應分析

為了研究地震作用下，動水對橋梁動力響應的影響，對比橋墩在無水、汛期限制水位和正常蓄水位3種情況下的動力響應。

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

4? ? 結語

為了促進深水橋梁抗震設計能力的提高，基于流固耦合理論，對考慮結構—水相互作用效應的深水大跨度剛構橋進行了地震動力響應分析，研究了水位變化對橋梁地震響應的影響。結果表明，水深對大跨剛構橋的墩頂位移，墩底彎矩和剪力等都有較大影響，高烈度區橋梁在進行設計時應考慮水深對橋梁抗震能力的影響。

[參考文獻]

[1]李悅，王克海，李茜，等.動水對深水大跨剛構橋地震響應影響[J].公路交通科技，2011（12）：76-81.

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

[3]李悅.強震作用下動水壓力對深水橋梁動力性能的影響研究[D].北京：北京科技大學，2010.

（編輯 傅金睿）