探究动水压力对连续刚构桥梁地震响应的影响

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　　摘要：本文简述了墩―水耦合有限元计算方法的基础上，结合实际的工程概况，探讨了水体对连续刚构桥梁动力特性的影响，动水压力对连续刚构桥梁位移的影响以及动水压力对连续刚构桥梁内力的影响。
　　关键词：动水压力；连续刚构桥梁；地震响应；影响；
　　中图分类号：P315 文献标识码：A 文章编号：
　　引言
　　随着我国桥梁建设的不断的发展，出现了越来越多的连续钢构桥梁。和裸水的桥梁一样，连续刚构桥梁抗震问题也无法避免。连续刚构桥梁在地震作用下可导致结构的水在辐射波浪运动，桥墩水下部分将有动水压力作用。这种动水压力不仅会改变结构的动力特性，而且也将影响连续钢构件结构的动力响应。结果表明，连续刚构桥桥墩-水相互作用体系的动力响应研究较少，现有的研究多为孤立墩的桥墩桩，连续刚构桥梁地震反应特性研究较少，因此在这方面有很多的工作要做。
　　墩与水耦合有限元计算方法
　　假设：流体为可压缩的均匀流动的，没有粘性的，无旋的，无热交换的，小变形，流速远低于流体中的声速。根据以上假设，根据流体的动量方程和连续方程，可以得到声波方程。在声波方程引入散度和梯度表达式，采用有限元近似函数，并考虑流固耦合的界面阻尼造成能量损失，可得到流固耦合界面流体的波动方程：
　　
　　式中：Pc为流体的压力。Ue为结构位移；Mef为流体的质量矩阵；Kef为流体的刚度矩阵；Cef为流体的阻尼矩阵；ρRe标示六固耦合界面的耦合质量矩阵。对于非流固耦合界面的流体和固体，均按传统的波动和振动方程求解．
　　Fluid30在有限元软件模拟流体介质，并可与Solid45实体单元适合模拟流体和固体的相互作用。Huid30单元有八个节点，每个节点有四个自由度，分别为X、Y、Z方向的位移和压应力。Fluid30单元中，其中的Mu为吸收参数；为0是表示波没有吸收，为1时表示波被完全吸收。依据桥墩的界面形状将流体域作为相同的界面形状的柱体模型。使最外层的fluid30单位的吸收系数为1，模拟无限流体域吸声效果。根据这一方法可以建立墩-水耦合有限元模型。
　　二、工程概况
　　某大桥未典型的连续刚构桥梁，并且为动水压力的连续钢构件桥梁。其简化的模型如下所示：
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　其中3号、6号过渡墩的高度为67.5米、85.5米，都为双柱式矩形空心墩，单墩底部的尺寸为4.5米*6.4米，壁厚为0.6米，4、5号墩的高度为102.5米、99.5米，均为单柱式矩形空心墩。
　　三、水体对连续刚构桥梁动力特性的影响
　　连续刚构桥梁的动力分析的基础是动态响应分析，自振动特性决定的动态响应的特性。该桥在考虑水体时，前四阶段的频率为：0.271 Hz，0.282 Hz，0.388 Hz，0.410 Hz。不考虑水，前四阶段的频率为：0.272 Hz，0.282 Hz，0.388 Hz，0.411赫兹。可以看到，流动水体对前面的四阶频率的影响很小，降低了频率的程度有限。频率越高，影响力较大的水力。前30阶频率，影响的水体可以使频率降低8%以上；并且流动水体对横向振动频率的影响较大，纵向其次，垂直最小。流动水体对连续刚构桥振动的影响是很小的，无论是考虑水还是不考虑水体，各阶的阵型模型阵型基本不变。桥梁的第三阶和第六阶模型阵型分别是6墩和3墩纵向、弯曲振动模式模型。由振动的模型，众所周知，连续刚构桥梁横向刚度小于纵向刚度，纵向刚度小于垂直刚度的桥梁在地震作用下将优先以横向振动。
　　结构在流动水体中振动的时候，振动的自振的固有频率的降低速率和水分主要造成额外的质量和有关结构本身的质量有关。入水的深度较大，更大的附加质量作用，降低率就越大。
　　四、动水压力对连续刚构桥梁动力响应的影响
　　动水压力对连续刚构桥梁位移的影响分析
　　为了准确地得到动态水压力作用连续刚构桥的位移和影响的箱梁在顶部和过渡墩布置多个节点。其中，该节点将位于3号和6号墩顶部，节点2，8位于节点11，14的最上方的箱梁顶部。考虑动水作用和不考虑动水的作用，节点2、11在X方向的位移显示为波浪形。每个节点的位移峰值和增量如下表
　　
　　
　　下表我们知道，动水压力的每个节点的侧向位移峰值不一致的影响。解释为连续刚构桥梁的动水压力的影响的左上右箱梁比大箱梁，在右边箱梁跨跨度更大的跨度大于跨中。6墩大于3墩，主要原因是44墩，5墩，6墩，34墩水中深度不一致，反过来，节点2、11的位移峰值是不同的，8、14节点的位移峰值也不同，双向盆式支座能提供的侧向约束极小，箱梁的端部在支持的支座上滑动，产生横向的相对位移。由上可知，过渡墩和箱梁的振动频率不一致，这将增加下滑的势头。一端横向相对位移峰值：没有水是0.148米，有水为0. 181米，增量为21.8%；箱梁的D段截面梁横向相对位移峰值：没有水是0.187米，有水是0.217米，增量为16.1%，可见动水压力对端梁支座的滑动量的影响较大，A段大于D段部分，原因是4号桥墩的高度、入水深度大于5墩。4号墩和5号墩的水深值的差异也大于5号墩和6号墩的入水深度的差异。
　　进一步的研究发现：梁端每个节点的侧向位移峰值大于跨中节点，箱梁跨中产生相对的侧弯。没有水和有水时，节点2相对于5节点的位移峰值分别为0.125和0.138米，增产为10.5%；节点8和节点5的相对位移峰值分别为0.140和0.155米，增量为10.2%，动水压力对连续刚构桥梁有明显影响的横向弯曲，影响部分A段略大于D段部分，它也与桥主桥墩的入水深度相关。该桥产生的横向位移有明显的影响。横向相对位移和横向弯曲不是对称的，它是由连续刚构桥梁结构本身不对称的原因造成的。动水压力增加了结构的振动位移；各墩入水深度不同的扩增，加剧了非对称振动。
　　动水压力对连续刚构桥梁内力的影响
　　主墩底部是连续刚构桥梁受力最不利的位置，从4墩底部沿墩身向上，每增高10米的地方，在该截面和求出内力在地震反应的峰值，可以得到沿墩高的内力包络图。B峰值在墩底部处最大的，墩梁固结的地方次之，桥梁墩上部最小。动水压力对B峰值增量的影响，在墩块底部最大；上部的较小，顶端墩梁固结处次之；桥墩的埋水潜水深度为48.8米，从这一位置处向下的影响下，动水压力的影响开始逐渐增加。在墩梁的固结的地方向下，开始先增加，然后下降，后来再增大，最大处位于墩的底部。
　　结语
　　连续刚构桥箱梁横向位移，横向相对位移和横向弯曲受到动水压力明显的影响，以及每个部分的影响程度不同，主要与各个墩的水深，每一墩之间的相对入水深度和地震加速度的大小有关。连续刚构桥梁内部受到动水压力的影响大，并且影响主墩大于箱梁。主墩水中的深度、地震加速度大小是主要的素的内力增量大小。连续刚构桥梁在动水压力的影响下，箱梁边跨端位移增量，主墩底部截面各种内力增量，箱梁边跨横向弯矩增量均比其他位置大，应引起设计施工人员的重视和关注。
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