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中国公路学报 2021年第5期34卷 86-98页

作者：赵秋红许梦凡董硕天津大学建筑工程学院天津300350 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

跨海深水桥墩往往受到不可忽视的波浪作用,在设计时需考虑波浪力。在地震作用下,桥墩附近海域的波浪场受到地震动水压力的干扰,波浪作用也受到影响,桥墩的动力响应需考虑两者的耦合作用。另一方面,地震起振时,墩底处地震波的相位可简单... 详细信息

跨海深水桥墩往往受到不可忽视的波浪作用,在设计时需考虑波浪力。在地震作用下,桥墩附近海域的波浪场受到地震动水压力的干扰,波浪作用也受到影响,桥墩的动力响应需考虑两者的耦合作用。另一方面,地震起振时,墩底处地震波的相位可简单视为0,而桥墩处的波浪相位可能在0~2π之间变化,地震与波浪之间的相位差将直接影响波浪作用的大小,进而影响地震-波浪耦合作用。为了研究地震-波浪对深水桥墩的动力耦合作用,并考虑相位差对桥墩动力响应的影响,采用有限元分析软件ADINA建立的组合桥墩的精细化模型及桥墩附近水体的势流体单元模型,以模拟流固耦合作用;分别进行了地震单独作用下、波浪单独作用下以及地震-波浪耦合作用下桥墩的动力响应分析,并考虑了地震动、波高及地震与波浪之间相位差的不同。研究结果表明:地震与波浪间的耦合作用不能忽略,其对桥墩上总动水压力的影响在15%左右;地震与波浪之间的相位差对桥墩动力响应影响显著,当相位差在0~2π之间变化时,最大响应幅值变化接近54%;最不利相位差的取值与地震频率、桥墩水下基频和结构形式密切相关。利用MATLAB软件,提出了最不利相位差的计算方法及其适用条件;提出了耦合作用折算系数,以简化最大动力响应幅值的计算,推动实际工程应用。

关键词：桥梁工程地震-波浪耦合作用流固耦合数值模拟深水桥墩动力响应最不利相位差耦合作用折算系数

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地震与波浪联合作用下深水组合桥墩的动力响应分析

地震与波浪联合作用下深水组合桥墩的动力响应分析

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作者：许梦凡天津大学

学位级别：硕士

坐落于地震多发地区的跨海深水桥墩往往同时受到地震与波浪作用。由于地震起振时刻、作用方向的不确定性,导致地震与波浪共同作用期间产生了不同的相位差和斜交角,而目前这两者对结构动力响应影响的大小和规律尚不明晰;加之地震与波浪... 详细信息

坐落于地震多发地区的跨海深水桥墩往往同时受到地震与波浪作用。由于地震起振时刻、作用方向的不确定性,导致地震与波浪共同作用期间产生了不同的相位差和斜交角,而目前这两者对结构动力响应影响的大小和规律尚不明晰;加之地震与波浪间的耦合作用导致两者单独作用下的动水压力不可直接叠加,因此在分析其动力响应时应考虑耦合作用的影响。本文以组合桥墩为例,采用理论推导、数值模拟和简化模型的方式,分析地震—波浪耦合作用下不同相位差、斜交角的桥墩动力响应。主要研究工作和创新成果如下:(1)基于扩展Morison方程推导得到地震与波浪耦合作用和线性叠加作用下的结构动力响应理论解,对比发现:两者大小近似相等,即地震与波浪间的耦合作用对结构动力响应影响不大。(2)建立地震—波浪耦合作用下深水桥墩流固耦合模型,研究相位差、斜交角对桥墩动力响应的影响,分析不同相位差、斜交角下波浪作用和地震与波浪间的耦合作用对动力响应的影响规律。结果表明:相位差和斜交角均对桥墩动力响应幅值影响显著,最大可达73.49%和69.04%;波浪作用使地震响应幅值可能增大也可能减小,其影响范围远大于耦合作用;当动力响应幅值较小时,耦合作用的影响较大,最高可达25%左右。反之,当动力响应幅值较大时,耦合作用的影响在10%以内。(3)综合考虑相位差和斜交角的概率组合,利用MATLAB软件,提出最不利工况的计算方法及其适用条件。结果表明:最不利工况的取值与地震频率、桥墩水下基频、桥墩结构形式和桥墩截面形状密切相关,与PGA和波高大小关联不大。提出了耦合作用折算系数的概念,为计算不同超越概率下的动力响应幅值提供了一种准确简便的计算方法。通过大量的数值分析,发现耦合作用折算系数在0.9～1.1之间波动。(4)建立地震—波浪联合作用下桥墩动力响应的简化分析方法,研究深水组合桥墩在弹性、弹塑性阶段的动力响应受动水压力的影响规律以及简化方法在不同参数条件下的适用性。结果表明:动水压力影响的大小与响应指标、地震波类型、结构状态、波高和水深比有关;简化方法的误差在10%以内,其计算精度与结构状态、水深比、桥墩长细比、动水压力的影响大小有关。

关键词：地震—波浪耦合作用相位差斜交角动力响应最不利工况耦合作用折算系数简化方法

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