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土木工程学报 2024年第10期57卷 71-81页

作者：李忠献郑庆涛苏俊省赵博天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津300350 天津大学建筑工程学院天津300350

针对跨海桥梁服役期内可能遭受地震、波浪以及冲刷效应影响的问题,开展地震与波浪联合作用下考虑冲刷效应的跨海斜拉桥振动台试验,研究地震与波浪联合作用下冲刷效应对斜拉桥动力特性及关键截面动力响应(加速度、位移和应变)的影响规律... 详细信息

针对跨海桥梁服役期内可能遭受地震、波浪以及冲刷效应影响的问题,开展地震与波浪联合作用下考虑冲刷效应的跨海斜拉桥振动台试验,研究地震与波浪联合作用下冲刷效应对斜拉桥动力特性及关键截面动力响应(加速度、位移和应变)的影响规律。研究表明:随着冲刷深度的增加,斜拉桥自振频率逐渐降低;冲刷深度的增加,降低了桥塔桩基础侧向约束,引起地震与波浪联合作用下桩顶动力响应明显增大,且增幅比其他位置更为显著;边墩墩顶加速度和相对位移均大于辅助墩墩顶,桥墩抗震设计时,应采用不同配筋率和不同的截面尺寸对边墩和辅助墩开展差异化设计;考虑冲刷效应明显增大了地震与波浪联合作用下塔底、边墩和辅助墩墩底等关键截面的应变,相较于无冲刷工况,大冲刷工况下塔底、边墩及辅助墩墩底应变分别增加39%、36%和42%,抗震设计时应高度重视。

关键词：跨海斜拉桥振动台试验地震-波浪联合作用冲刷效应动力响应

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地震-波浪联合作用下高速列车-斜拉桥耦合振动特性研究

地震-波浪联合作用下高速列车-斜拉桥耦合振动特性研究

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作者：施凌云西南交通大学

学位级别：硕士

随着我国高速铁路的快速发展,高速铁路网络开始向东南沿海地区延伸。我国东南沿海地区毗邻地震带,地震活动频繁,加之海况复杂、潮大浪急。越来越多的高铁线路需要穿越地震带、跨过海峡。钢桁梁斜拉桥以其优秀的跨越能力和刚度成为跨海... 详细信息

随着我国高速铁路的快速发展,高速铁路网络开始向东南沿海地区延伸。我国东南沿海地区毗邻地震带,地震活动频繁,加之海况复杂、潮大浪急。越来越多的高铁线路需要穿越地震带、跨过海峡。钢桁梁斜拉桥以其优秀的跨越能力和刚度成为跨海桥梁的首选。密集的高速铁路网络和占比高、跨度大的桥梁共同决定了高速列车将会无可避免地运行在受到地震和波浪作用的桥梁上。地震和极端波浪荷载及地震引发的动水压力成为了威胁跨海斜拉桥健康健全和高速列车行车安全的主要因素之一。因此,本文基于CFD方法和多体动力学仿真技术,以平潭海峡大桥元洪航道桥以及CRH3型高速列车组为研究对象,采用数值模拟方法计算了平潭海峡大桥元洪航道主桥的下部基础结构波浪荷载,选取实测地震波数据,并考虑了多种实际因素,建立了地震和波浪联合作用下的高速列车-斜拉桥多体动力学耦合仿真模型,详细分析了地震、波浪荷载及二者联合作用对元洪航道桥以及桥上列车运行的动力学特性的影响,研究了车速、行波效应及荷载相位差等多种因素的影响。主要研究内容包括:(1)基于CFD方法建立了三维数值水槽,通过与理论结果对比,验证了本文数值模拟方法生成规则波的可靠性;通过与实验结果对比,验证了本文数值模拟方法计算不同尺度结构上波浪荷载的可靠性。根据实际工程背景,采用本文数值模拟方法计算了平潭海峡大桥元洪航道桥下部复合基础不同重现期内的波浪荷载。(2)利用多体动力学软件SIMPACK建立了考虑多自由度和非线性因素的CRH3型动车组精细化动力学模型;利用有限元软件ANSYS建立了平潭海峡大桥元洪航道桥有限元模型并进行子结构缩减,得到柔性桥梁模型并输入SIMPACK中,采用哑元方法建立车-桥耦合系统。(3)针对桥址场地特点选取了3条不同类型的实测地震波,使用大质量法将地震作为外部激励输入车-桥系统,采用非一致激励,沿桥梁纵向考虑地震行波效应;采用M法计算了土弹簧刚度,使用弹簧力元考虑桥梁基础的桩-土相互作用;使用刚性柱法计算了复合基础上的地震动水压力附加质量并通过质量单元在基础上施加动水压力附加质量。(4)根据所建立的高速列车-斜拉桥耦合振动模型,输入地震荷载和波浪荷载,分别分析了无外荷载下的车-桥耦合系统动力响应特性、地震和波浪荷载单独作用下的车-桥系统动力响应以及地震和波浪联合作用下的列车、桥梁动力响应结果,分析了地震和波浪对于车-桥系统的不同影响;研究了列车运行速度、行波效应以及地震与波浪荷载相位对车-桥系统的影响,并给出了地震和波浪联合作用下列车运行速度的阈值建议。

关键词：地震-波浪联合作用斜拉桥车-桥耦合地震动水压力相位差

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地震—波浪联合作用下连续刚构桥的动力响应分析

地震—波浪联合作用下连续刚构桥的动力响应分析

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作者：漆诗军天津大学

学位级别：硕士

相比陆地桥梁,跨海桥梁不仅会受到地震作用,而且会受到不可忽视的波浪作用。当桥墩位于海底软弱土层上时,地基土-桩基之间的相互作用可能在一定程度上改变桥梁的固有频率,有必要在进行桥梁动力响应分析时考虑土-结构相互作用(SSI)的影... 详细信息

相比陆地桥梁,跨海桥梁不仅会受到地震作用,而且会受到不可忽视的波浪作用。当桥墩位于海底软弱土层上时,地基土-桩基之间的相互作用可能在一定程度上改变桥梁的固有频率,有必要在进行桥梁动力响应分析时考虑土-结构相互作用(SSI)的影响。另一方面,由于地震的偶然性和突发性,其与波浪的传播方向及起振时刻往往不能完全一致,导致作用于桥墩的地震与波浪荷载间可能存在一定的夹角及相位差,而跨海桥梁由于通航的要求往往跨度较大,桥墩不一致激励及行波效应亦可能较为明显。因此,本文首先利用ADINA有限元分析软件对桥墩进行了波浪作用下的流固耦合及响应分析,获得波浪的合力作用点位置及时程,然后采用Open Sees软件建立跨海连续刚构桥的非线性有限元模型,通过非线性p-y土弹簧模拟SSI效应,并将地震位移时程及波浪力时程分别施加于桩基及桥墩,进行非线性时程分析。系统研究了SSI效应、地震与波浪作用间的斜交角及相位差、行波效应对桥梁在地震-波浪联合作用下的非线性动力响应的影响规律。主要研究结论如下:(1)考虑SSI效应时,桥梁主频随桩周土体刚度的降低而降低,桩周土为软黏土时的桥梁主频相比墩底固结时降幅高达30%。地震单独作用下,相比墩底固结,考虑SSI效应且随着桩周土体刚度减小,墩顶位移逐渐增大,墩底剪力及弯矩逐渐减小。地震与波浪联合作用下,相比墩底固结,考虑SSI效应且桩周土为硬黏土时,墩底位移增大,墩底剪力及弯矩减小,且随着桩周土体刚度减小,墩顶位移、墩底剪力及弯矩逐渐增大。墩底固结时,随着波浪频率增大,桥梁动力响应无明显变化趋势,考虑SSI效应时,随着波浪频率增大,各桥梁动力响应均逐渐增大。引入波浪作用系数,以描述波浪作用对地震-波浪联合作用下桥梁动力响应的影响。墩底固结时,随着波浪频率增大,各动力响应的波浪作用系数无明显变化规律,考虑SSI效应时,各动力响应的波浪作用系数随桩周土刚度的降低,或随波浪频率、波浪高度的增加而增加。值得注意的是,当波浪频率较高时,桥梁主频随着桩周土体刚度的降低逐渐接近波浪频率,引发共振现象,动力响应激增;波浪频率为0.24Hz而桩周土为软黏土时,桥梁动力响应相比墩底固结时增加119%,而波浪作用系数高达198%。因此应考虑SSI效应的影响,并注意桩周为软弱地基的连续刚构桥在高频波浪作用下可能引发的共振现象。(2)地震-波浪联合作用下,桥梁动力响应明显受到地震-波浪荷载之间斜交角的影响。当地震时程顺桥向输入,斜交角在0°～180°之间变化时,桥梁动力响应的变化幅度可达49%,斜交角为180°时最高。但值得注意的是,当波浪频率与桥梁横向主频较为接近时,波浪引起的动力响应激增,整体动力响应的增幅可达417%,在斜交角为90°时最高;当波浪频率与桥梁纵向主频较为接近时,整体动力响应的增幅可达105%,在斜交角为0°或180°时最高。因此,地震-波浪联合作用下应考虑斜交角的影响,波浪力时程不仅应考虑顺桥向输入(与地震位移时程呈0°或180°夹角)工况,亦应考虑横桥向输入(与地震位移时程呈90°夹角)工况,尤其当波浪频率与桥梁纵横向主频接近时。(3)地震-波浪联合作用下,桥梁动力响应明显受到地震-波浪荷载之间相位差的影响。当地震时程顺桥向输入,且波浪荷载亦沿顺桥向作用时,地震与波浪之间的荷载相位差引起的桥梁动力响应的变化幅度可达39%,动力响应的峰值对应的相位差即为最不利荷载相位差,其随波浪频率的增大而减小,但波浪高度对其几乎无影响。当地震时程顺桥向输入,且波浪荷载沿横桥向作用时,地震与波浪之间的荷载相位差引起的桥梁动力响应变化幅度可达26%;对于墩顶位移和墩底弯矩,最不利荷载相位差随波浪频率的增加而降低,而对于墩底剪力,最不利荷载相位差随着波浪频率的增加而增加。(4)地震-波浪联合作用下,桥梁动力响应明显受到行波效应的影响。地震单独作用下,行波效应造成桥墩的不一致激励,导致不同桥墩的起振时刻及相位不同,称之为行波相位差。行波效应造成桥墩动力响应降低并呈周期性变化,当行波相位差为(2n+1)T/2时(T为桥梁一阶纵向周期)最小,当行波相位差为n T时最大,且接近桥墩一致激励的情况;主梁跨中位移及弯矩显著增加,跨中剪力减小并呈周期性变化。地震-波浪联合作用下,行波效应亦造成桥墩的不一致激励,而地震-波浪荷载之间的相位差受到行波相位差与初始荷载相位差的共同影响,桥墩动力响应不再呈周期性变化,其峰值对应的行波相位差亦无固定规律。当地震-波浪荷载之间的相位差为最不利荷载相位差时,行波效应造成桥墩动力响应的增加,较桥墩一致激励的情况增幅可达15%;主梁跨中位移及弯矩亦显著增加,而跨中剪力可能增大或降低,且不再呈周期性变化。

关键词：地震-波浪联合作用 SSI效应斜交角荷载相位差行波效应

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