深水桥梁基础地震反应研究
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摘要：本文针对我国深水桥梁建设中广泛采用大型群桩基础的现实情况，为满足深水桥梁抗震分析和抗震设计的需求，本文对深水基础桥梁地震水力效应的方法进行了研究。
关键词：桥梁；深水桥梁基础；地震反应
中图分类号： K928 文献标识码： A
在以往我们通常都采用加大桥梁跨径来跨越深沟峡谷或者是大江大河这类沟壑山涧，但若是采用更为经济合理的高桥墩则能够使桥式能够得以更好形式的应用，因此桥梁技术受到越来越多的人们的关注。近些年来在我国西北、西南等地区交通发展非常迅速，桥梁技术的应用较为广泛，但是在很多位于高震区、地域形势复杂的区域对于桥梁经受地震方面的经验相对缺乏，因此，研究桥梁的动力特性以及桥梁对地震的反应有着非常重要的意义。
一、深水桥梁对地震反应的主要特点
在一些高震地区或地形较为复杂的区域，由于水中结构在受到地震的作用下其运动会使结构周围的水体呈辐射式波浪运动，因为水和结构的运动是相对的，所以水会在结构水下部分作用有动水压力。结构的动力相应以及结构的动力特性都会受到该动水压力的影响。
近些年来，我国对水和结构之间的影响做出不懈的努力研究，研究表明水对运动中的结构所产生的作用其主要表现为惯性力和阻尼力这两种形式。在地震的作用下，深水桥墩或者基础在水中振动所引起的动水附加惯性力将对下部结构以及整个桥梁的内力相应和动力特性产生非常大的影响。所以在各方面我国对桥梁技术的研究中，都会考虑到地震反应这一因素，其表现在海洋平台、大坝以及码头等结构的抗震分析中都着重考虑到水对结构的影响。
二、耦合地震相应研究的现状
流固祸合振动这一问题在深水桥梁中主要体现在水—桥墩的相互作用。它是一种典型的多学科综合问题，这一问题涉及到流体力学、动力学、固体力学、力的相互作用等学科，涉及面非常广。H.M.westergard在1933年发表了其著名的论文《地震作用时作用在坝面上的动水压力》后，液固耦合振动问题就引起了全世界众多学者的关注，通过数十年的结合海洋平台、海岸防波堤以及大坝和深水桥方面等实际工程，大大推进了液—固耦合理论的研究，并取得了大量的科研成果，一些成果又已经应用到实际工程中去。目前，在一些海洋石油工程以及大坝工程中多应用到液固耦合振动方面的技术研究，而大坝工程主要研究的是库坝地震荷载下的相互作用机理。
三、液—固耦合分析方法研究
经过我国相关专业人士的多年研究，液—固异相耦合的问题对其分析的方法大致可分为三大类：
第一类是解析法，这类方法要求是对耦合系统进行很多的简化，同时此类方法的计算量也是最小的。但是解析法这一方法尽管是对结构做出了很多的简化，但是由于其计算量小，易于求解的特性，也只是使用于在理论上进行一下探讨。其中，加权余量法的这一法则的特性就是力求在一定的边界条件下的近似解，在选择了比较恰当的试函数的时候，能够用少量的计算，以获得较高的精度以及规律性较强的解析形式。类似的，有相当大的一部分研究工作就是把结构能够简化为圆柱体，对水与结构地震响应的影响使用特征函数扩展法不仅能够得到相应的封闭解，而且还非常简便。
在研究特殊截断柱体的辐射波浪问题的时候同样可以应用到解析法。有限水深中顶面以及水面齐平的截断圆柱体沿水平、顶面与水面齐平的二维矩形截短结构的辐射波浪问题等等这些问题都可以利用特征函数扩展法的分析来解决。与此同时，可以推导自由表面重力波时顶端浸没于水中切底端固定于水底的截断圆柱体上的水平动水压力解。
同时，这类方法中由于流体域采用位移模式，所以流体以及结构可以共同采用固体力学中的拉格朗日坐标系，也可以称为结构—位移模式，即拉格朗日方法。拉格朗日法的特点就是可以将结构分析的通用程序直接应用到流体域之中，并且在水与结构耦合的边界上自动满足其位移协调的条件，因此，流固界面的耦合易于实现。在一般情况下，计算中将流体的剪切刚度设置为零，结构与流体之间只有正交位移连续性。但是该方法存在大量的“零能模态”，给分析带来很大困难。
第二类方法是数值分析方法，其数值分析主要包括有限单元法、有限元与边界元法相结合、边界元法三种数值分析。对于复杂的水—结构耦合体系，我们通常采用的就是以有限元法和边界元法为主的数值分析这一方法。有限元法就是把水和结构都将按有限元方法进行离散。在这其中对数值求解方案的选择以及建立起耦合系统的有限元格式，即为有限元用于求解液固耦合作用问题的关键。在国外，Zeinkiewicz以及一些学者对数值求解方案的选择以及液固耦合系统的有限元格式做出了非常重要的初创型的工作。根据液固耦合的一些特性，固体域在一般情况下都将会采用位移模式来进行描述，但是对流体域的变量取法则可以分为压力、位移势和压力、位移势、速度势、速度势和静水压等几种。
第三类方法是混合型解法
此种解法又可称为半解析法，它是一种将解析法和数值分析方法相结合的方法，解析法力学概念清晰，用于理论研究较为适宜，但目前该法只适用于几何形状比较单一的问题，想要在复杂的工程问题中被直接的应用却很难。数值分析法虽然能分析几何形状比较复杂的问题，并能用于解决实际工程问题，但是数值分析法的计算量非常巨大而且计算复杂，前期的处理工作通常都特别繁重。鉴于数值分析法的以上原因，通常在研究结构与水体的偶联振动的时候，一般情况下都会采用解析法来表示水体动水压力，用有限元方法来表示结构。此方法不仅降低了计算的复杂程度，而且大大增加了计算精准度。对于桥梁结构，有限元法可以采用梁模型对之进行分析，使得地震响应分析能够在考虑水与桥墩的耦联振动的同时还可以使计算的工作量与传统的地震响应分析一致。
解析法目前对于悬臂结构能够得到一些相对准确的解答，但是由于深水桥梁结构的特殊性，解析法还存在着适用范围较小的问题，因此，对于深水桥梁的地震响应分析，半解析法才能称得上是比较可行的办法。目前的研究来说，混合型解法中可用的方法主要是Mor1Son方程，从上文的介绍可看出，它忽略了结构运动对水体的影响，是否能直接将其应用于桥梁结构尚无定论。就深水桥梁的地震响应特性研究而言，现有的研究仍相当有限，且研究多针对单独的桥墩进行，对桥梁结构的研究非常少，所以说，对于深水桥梁的地震响应特性还存在着很多未知的领域。
四、小结
近些年来，世界经济的发展步伐明显越来越快，全世界各个国家都在致力于建设可以更加便捷、更加快速的陆路交通网络。为了能够跨越比较宽阔的水面，深水桥梁的发展也将会越来越蓬勃，同时也即将会出现越来越多的深水桥梁，即部分基础以及桥墩位于深水中的桥梁。因此深水桥梁的地震响应研究是目前我国桥梁抗震研究所面临的迫切课题之一。
参考文献：
[1] 居荣初,曾心传,弹性结构与液体的祸联振动理论,地震出版社,1983
[2] 傅作新,结构与水体的相互作用问题,水利水运科学研究,1982
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[4] 赖伟,王君杰,韦晓,等.桥墩地震动水效应的水下振动台试验研究[J].地震工程与工程振动,2006,26(15):164.
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