近、遠(yuǎn)場地震作用下深水橋梁等效單墩振動特性分析

近、遠(yuǎn)場地震作用下深水橋梁等效單墩振動特性分析

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，深水橋梁不斷增加。例如，長街大橋碼頭的水位為168m。地震時由于粘性效應(yīng)、慣性力效應(yīng)及繞射效應(yīng),水體運(yùn)動以動水力形式作用于橋墩,會改變橋梁的振動性態(tài)及地震響應(yīng),甚至發(fā)生落梁、水中主墩開裂等嚴(yán)重震害。因此,深水橋梁的抗震設(shè)計(jì)須考慮動水效應(yīng)。鑒于動水作用對深水橋梁抗震性能影響,文獻(xiàn)對動水壓力進(jìn)行專門規(guī)定。Westergaard對壩體結(jié)構(gòu)的動水壓力解析解進(jìn)行研究。Morison等針對特征尺寸小于水流波長的圓柱體提出Morison方程且被廣泛采用。賴偉等基于輻射波浪理論發(fā)展了水中圓截面橋墩動水壓力的半解析半數(shù)值解。劉振宇等推導(dǎo)出圓形空心墩內(nèi)域水體附加動水壓力及矩形橋墩內(nèi)、外域水體附加動水壓力的半解析半數(shù)值解。高學(xué)奎等討論動水壓力對深水橋墩地震響應(yīng)影響。李悅等基于Morison方程法分別研究動水對斜拉橋、大跨度剛構(gòu)橋動力響應(yīng)影響,并對水中高樁承臺進(jìn)行振動臺實(shí)驗(yàn)研究。黃信等以水中橋墩結(jié)構(gòu)為對象對Morison方程法、輻射波浪理論進(jìn)行對比分析。魏凱等基于實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方法對橋梁群樁基礎(chǔ)流固耦合動力特性進(jìn)行研究。王毅等考慮水的可壓縮性及庫底吸收作用,推導(dǎo)并求解豎向激勵下重力壩所受動水壓力。世界范圍內(nèi)近20年發(fā)生的幾次主要地震震窖多集中于近斷層區(qū)域。較遠(yuǎn)場地震而言,近斷層地震動(也稱近場地震)具有斷層破裂的強(qiáng)方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)、上盤效應(yīng)及大幅值豎向加速度特性等顯著區(qū)別于遠(yuǎn)場地震動特征,其表現(xiàn)形式之一即近場地震下大幅值、長周期脈沖作用,導(dǎo)致地震能量以遞增形式進(jìn)行,較難在短時間內(nèi)耗散,對建筑物及橋梁結(jié)構(gòu)造成的破壞更嚴(yán)重。王東升等研究認(rèn)為,近斷層地震作用下滿足延性要求與延性能力之比小于1的鋼筋混凝土橋墩仍可能發(fā)生嚴(yán)重破壞。王京哲等對橋墩結(jié)構(gòu)研究表明,近斷層脈沖特性顯著增大橋墩的墩頂位移及墩底內(nèi)力。翟長海等認(rèn)為近場脈沖型地震動下鋼筋混凝土大跨鋼構(gòu)橋反應(yīng)較遠(yuǎn)場地震動更顯著。對近斷層地震下橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性及抗震設(shè)計(jì)主要集中于陸地橋梁,而對深水橋梁,目前僅有高學(xué)奎等對近場地震或長周期脈沖型地震下深水橋梁地震響應(yīng)特性進(jìn)行研究,此類地震下水中橋梁動力響應(yīng)特性及近、遠(yuǎn)場對比研究非常匱乏。我國地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶交匯處,活動斷層分布廣泛,對長周期的深水橋梁因動水環(huán)境下慣性力效應(yīng)作用,其自振周期必會進(jìn)一步延長,對其在大幅值、長周期脈沖型近場地震作用下的抗震性能要求更高。因此對此類地震下深水橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)研究意義重大。本文采用基于流固耦合理論的勢流體動力數(shù)值算法,以某鐵路深水橋梁等效單墩模型為對象,選具有代表性的近、遠(yuǎn)場地震動分組記錄,對比討論墩周動水壓力、橋墩結(jié)構(gòu)地震動響應(yīng)的量化差異、特征及指標(biāo)隨水深變化的分布規(guī)律。1定徑時橋墩的流固耦合動力分析方法在流體-固體動力耦合分析中通常假設(shè)流體為不可壓縮、無熱傳遞的無黏性無旋介質(zhì),其邊界處滿足小變形條件。對此理想流體必存在速度勢φ為空間流體質(zhì)點(diǎn)位置及時間t的函數(shù),記為φ(x,y,z,t),即式中:u,v,w為流體內(nèi)一處在x,y,z方向流速。代入理想流體的連續(xù)性方程可得速度勢φ滿足Laplace方程,即對無黏性無旋流體,任意點(diǎn)的動水壓力及速度勢間關(guān)系可由Bernoulli方程獲得,即式中:p為水體動水壓力;ρ為水密度;g為重力加速度。對勢流體,因流體微團(tuán)運(yùn)動速度很小,可忽略速度平方以上的量,得橋墩表面動水壓力為完全的流固耦合數(shù)值方法可有效模擬水體與結(jié)構(gòu)地震時的動力相互作用,考慮水體對結(jié)構(gòu)作用的同時也計(jì)入結(jié)構(gòu)存在對水體運(yùn)動影響。本文借助具備強(qiáng)大多場耦合數(shù)值計(jì)算能力的ADINA有限元軟件進(jìn)行地震作用下水中橋墩流固耦合動力分析。該軟件采用勢流體數(shù)值算法實(shí)現(xiàn)流固耦合動力計(jì)算,可為深水橋梁地震響應(yīng)分析提供精確方法。2模型與地震波的選擇2.1橋墩-水體流固耦合有限元模型以某RC鐵路深水梁橋?yàn)楸尘?該橋位于Ⅲ類場地,抗震設(shè)防烈度8°,梁體為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁,計(jì)算跨度51.1m,梁高4.25m,墩高30m,截面尺寸3m×6m,等效單墩模型墩頂集中質(zhì)量取一跨梁體及橋面系質(zhì)量501.798t。橋墩混凝土材料參數(shù):彈性模量3E10Pa,密度2700kg/m3,泊松比0.2;水體材料參數(shù):體積模量2.2E9Pa,密度1000kg/m3。采用ADINA軟件建立的橋墩-水體流固耦合有限元模型見圖1。其中橋墩及水體分別采用3D-SOLID單元、3D-FLUID單元模擬,用集中質(zhì)量單元模擬上部梁體的等效荷載。據(jù)通常取值方法,在地震波加載方向(順橋向)取20倍橋墩尺寸(即60m)寬度的水體,在地震波加載的垂直方向(橫橋向)取相同水體范圍,形成較寬廣的水環(huán)境。橋墩底面固結(jié),水體表面及側(cè)面分別設(shè)置為自由液面及無限遠(yuǎn)邊界,據(jù)已有研究,忽略自由表面波影響。2.2記錄資料及加速度為定量對比近、遠(yuǎn)場地震下深水橋墩動力響應(yīng)差異,須合理選取地震波。地震記錄選取原則為:(1)據(jù)橋梁所在場地為Ⅲ類場地;(2)所在地震震級M>5.5級;(3)加速度峰值PGA≥0.1g;(4)所選記錄反應(yīng)譜及卓越周期相近;(5)近場記錄所在臺站斷層投影距離不大于15km,且長周期脈沖波形明顯;(6)遠(yuǎn)場記錄的斷層距大于30km。分別選取6條具有明顯脈沖的近、遠(yuǎn)場記錄,各記錄基本參數(shù)見表1、表2。部分地震記錄的加速度時程圖見圖2、圖3。由二圖看出,近場記錄存在明顯的脈沖波形,遠(yuǎn)場記錄頻譜分布較均勻。據(jù)算例橋梁設(shè)防烈度將各記錄PGA統(tǒng)一調(diào)為0.2g,各單條記錄加速度反應(yīng)譜及近、遠(yuǎn)場均值譜見圖4。由圖4看出,兩組記錄的加速度反應(yīng)譜形狀相似,且在橋墩的基階周期(0.86s)范圍內(nèi),近場地震強(qiáng)度需求更高。3等效單墩模型自振周期為分析動水環(huán)境對單墩模型自振特性影響,定義無量綱參數(shù)水深比(Rh)=水深Hw/墩高H;周期增長率(Rw)=(有水自振周期T-無水自振周期T)/無水自振周期T。用圖1的有限元模型分別計(jì)算水深0m、5m、10m、15m、20m、25m、30m時等效單墩模型的自振周期并對比討論。其中30m水深為對比滿水條件的響應(yīng)特性而定。不同水深下單墩模型第一、二階自振周期隨水深比分布見圖5,單墩模型前兩階自振周期隨水深比的增加不斷增大。不同水深時相對無水條件下單墩模型自振周期增長率見圖6。由圖6可知,對第一階周期,相對水深超過50%時增長較快,水深30m(最大水深)時增長率最大,為10.4%;對第二階周期,水深30m時增長率最大,為3.5%。對比可知,橋墩受動水作用時,等效單墩模型前兩階自振周期均隨水深增加不斷增大,且第一階自振周期(即順橋向自振周期)增長率大于第二階自振周期(即橫橋向自振周期)增長率。此因橋墩為矩形截面,垂直于順橋向截面邊長(6m)大于橫橋向(3m),地震波沿順橋向作用時,順橋向動水壓力大于橫橋向,故動水作用對橋墩第一階周期影響率大于第二階周期。5動水壓力對橋墩自振周期的影響本文以典型深水橋梁等效單墩模型為對象,采用考慮流固耦合效應(yīng)的勢流體計(jì)算方法,對近、遠(yuǎn)場地震作用的動水附加效應(yīng)進(jìn)行對比研究,結(jié)論如下:(1)動水環(huán)境對等效單墩結(jié)構(gòu)自振特性影響較大,水深增加橋墩自振周期不斷延長。對矩形截面橋墩,動水壓力對橋墩不同方向自振周期影響程度存在較大差異,隨迎水面寬度增大更顯著。(2)地震作用下橋墩側(cè)面總動水壓力及分布動水壓力均隨水深增加不斷增大,不同水深時動水壓力沿墩高分布呈先增大后減小的拋物線型特征。近場地震下動水壓力大于遠(yuǎn)場地震,且隨水深增加二者差距更大。(3)較無水環(huán)境,動水壓力作用使橋墩結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)明顯放大,且隨水深增加在近場地震下呈遞增趨勢,在遠(yuǎn)場地震下呈先穩(wěn)步增大后有所降低特征,此由地震記錄的頻譜特性所致。(4)近場地震下橋墩動力響應(yīng)明顯大于遠(yuǎn)場,體現(xiàn)出近斷層的長周期脈沖能量效應(yīng),應(yīng)在近斷層區(qū)深水橋梁抗震設(shè)計(jì)中予以關(guān)注。4在聯(lián)合指揮地震下，深水橋地震反應(yīng)的比較分析中4.1單墩地震反應(yīng)譜近、遠(yuǎn)場地震作用下水深5m、25m時作用于橋墩側(cè)面總動水壓力P的時程圖見圖7。由圖7看出,無論近場或遠(yuǎn)場地震時水深25m的總動水壓力遠(yuǎn)大于水深5m時。近、遠(yuǎn)場地震下隨水深增加橋墩側(cè)面總動水壓力均值分布見圖8。由圖8看出,兩種地震動類型下總動水壓力均隨水深增加不斷增長,近場地震下總動水壓力大于遠(yuǎn)場地震,且隨水深增加兩者差別越大。此現(xiàn)象可由近、遠(yuǎn)場地震記錄反應(yīng)譜得到解釋,見圖9、圖10。對比二圖看出,水深增加,單墩模型自振周期變化范圍(0.86~0.95s)內(nèi)近場地震記錄均值譜(含加速度、位移)隨周期呈穩(wěn)定或上升趨勢,譜值較遠(yuǎn)場更大,而遠(yuǎn)場均值譜則呈下降趨勢,且隨水深增加兩者差距更明顯。此可由反應(yīng)譜指標(biāo)角度解釋單墩模型總動水壓力存在顯著差異原因。不同水深的橋墩側(cè)面動水壓力均值沿橋墩高度分布見圖11。由圖11看出,兩種地震作用下橋墩側(cè)面分布動水壓力Ph沿墩高均呈先增大后減小的拋物線型分布。水深5m時由橋墩高度5m處向下,動水壓力逐漸增加,距墩底約2m處達(dá)峰值后逐步減小,在橋墩底部達(dá)最小值。隨水深增加橋墩側(cè)面動水壓力不斷增大。在橋墩水中部分的不同高度處,近場地震下動水壓力均大于遠(yuǎn)場地震,且水越深增加越明顯。如水深5m時距墩底2m處,近場地震的橋墩側(cè)面分布動水壓力Ph較遠(yuǎn)場僅大1.9%;而水深30m時距墩底20m處,近場地震的Ph較遠(yuǎn)場大105.3%。此與橋墩側(cè)面總動水壓力P的變化規(guī)律一致。4.2不同深水工況下橋墩結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征為衡量動水壓力對單墩模型地震響應(yīng)影響程度,定義無量綱參數(shù)RD、RQ、RM為動水壓力對橋墩地震響應(yīng)影響率,即式中:RD,RQ,RM分別為動水壓力對橋墩墩頂位移、墩底剪力及墩底彎矩影響率。近、遠(yuǎn)場記錄激勵下橋墩地震響應(yīng)(墩頂位移D、墩底剪力Q、彎矩M)峰值及各條記錄下均值隨水深分布見圖12、圖13。近、遠(yuǎn)場記錄作用下水深變化對橋墩地震響應(yīng)均值影響率見圖14。由三圖看出,無論在近場地震或遠(yuǎn)場地震作用下,與無水環(huán)境相比橋墩結(jié)構(gòu)在水中的地震響應(yīng)發(fā)生較大改變。隨水深增加近場地震作用下橋墩結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)不斷增大,30m水深時達(dá)最大值,影響率亦達(dá)最大,即RD=34.5%、RM=37.8%、RQ=51.3%;遠(yuǎn)場地震作用下橋墩結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)均值隨水深增加穩(wěn)步增大,水深25m時達(dá)最大值,影響率亦最大:RD=17.0%、RM=21.8%、RQ=40.0%,水深增至30m時有所降低。由圖13看出,隨水深增加,地震波BAD000作用下地震響應(yīng)不斷增大,其余5條地震波下則先增大后減少。由圖9可知,隨水深增加,在0.86~0.95s的橋墩第一階自振周期變化范圍內(nèi),所選近場記錄譜加速度及譜位移值均不斷增大,與圖12近場地震動作用下橋墩地震響應(yīng)一致。而由圖10看出,隨水深增加在相同周期范圍內(nèi),除地震波BAD000的譜加速度及譜位移不斷增大外,其余幾條遠(yuǎn)場記錄如BRC000、A-LOS270的譜加速度及譜位移則均先增大后減小,與遠(yuǎn)場地震記錄的地震響應(yīng)分布(圖13)一致。因此,水的存在必會延長結(jié)構(gòu)的自振周期,但是否增大結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),關(guān)鍵為所選地震記錄的頻譜特性影響。對比圖12、圖13各項(xiàng)響應(yīng)指標(biāo)知,無論有水或無水條件下,近場地震下橋墩結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)明顯大于遠(yuǎn)場地震,即具有長周期脈沖的近場地震破壞力更強(qiáng)。為對比討論兩種類型地震動作用下橋墩動力響應(yīng)沿墩高分布特征,近、遠(yuǎn)場地震下不同水深時橋墩各截面位移、剪力及彎矩包絡(luò)圖見圖15、圖16。由兩圖看出,無論何種地震動作用,各截面處位移峰值沿墩高不斷增大,并在橋墩頂部達(dá)最大值;而各截面剪力、彎矩沿墩高不斷減小,在墩底處達(dá)到最大。與動水壓力類似(圖15),近場地震作用下墩身位移、彎矩、剪力隨水深增加不斷增大,30m水深時達(dá)到最大。遠(yuǎn)場地震作用下墩身位移、彎矩、剪力隨水深增加持續(xù)增大,25