水深对桥梁地震效应的影响分析*

杨竟南 何雄君

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

水深对桥梁地震效应的影响分析*

杨竟南 何雄君

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

结合工程实例，以某水库中的连续刚构桥为工程背景，研究水深对桥梁地震效应的影响.计算了桥梁在无水状态下地震的动力响应，模拟有水状态下桥墩与流体的耦合作用，建立了不同水深状态下的有限元模型，计算了不同水深时地震的动力响应并做了对比分析.结果表明，随着水深的增加，水对桥梁结构的内力产生了重大影响，桥梁在地震作用下的应力有增加的趋势，且纵桥向地震波作用下，地震响应比横桥向地震波作用下响应要剧烈.

深水桥梁；水深；地震效应；流固耦合

0 引 言

基于经济发展、国防战略和海洋资源开发的需要，在未来几十年内，我国将在琼州海峡、台湾海峡、渤海湾等建设一批跨海桥梁工程，这些桥梁的墩柱和基础处于深水之中，且多在地震区，将不可避免地经受地震作用及其所引起的动水流、海啸的扰动，一旦破坏，后果将异常严重.因此，深水桥梁的抗震研究至关重要，而桥梁-水耦合的动力特性和动力响应是抗震设计的理论基础，是其核心问题之一.

计入流固耦合影响的深水桥梁的动力效应问题比较复杂，国内外研究成果不多，尚不能满足工程要求，有待进行探索[1-3].本文结合工程，进行深水桥梁地震效应的理论研究，探索深水桥梁地震效应的规律和特点，为其抗震设计提供理论基础.

1 桥梁概况

某大跨度连续刚构桥全长332.0 m，设计桥型为85 m+150 m+85 m，桥型布置图见图1.桥梁全宽11.0 m，行车道宽9.0 m，两边人行道及栏杆各宽1.0 m.该桥位于水库中，受水库蓄水和放水的影响，常年水位变化十分明显.

图1 桥型布置图

桥梁上部结构为单箱单室，混凝土标号为C50，桥面宽为11 m，底宽6 m，墩顶梁高为9 m，跨中梁高为3.5 m，中间以1.8次抛物线过度.主桥桥墩设计为矩形钢筋砼双薄壁，混凝土标号为C40，主桥桥墩横桥向尺寸为6.0 m，单壁纵桥向尺寸为2.5 m，墩高58 m. 0，3号桥台为U形重力式桥台，刚性扩大基础.

2 计算方法与模型

2.1 无水状态下的计算模型

采用有限元软件ANSYS12.1建立三维空间有限元模型，桥墩和主梁采用SOLID45单元进行建模，SOLID45单元为三维实体单元.墩底设为固结，梁端约束竖向位移、横向位移和绕桥轴向的扭转.建模完成后划分网格，网格划分采用逐步加密原则，划分完成后，共建立72 903个单元，有限元模型见图2.

图2 ANSYS有限元模型

2.2 有水状态下的计算模型

假定水为理想流体，桥墩周围的水域假定为无限水域，反复的计算与实验表明，当桥墩周围的水域超过一定范围时，超过范围的水域对桥梁的影响很小，可以忽略不计[4].因此，在计算时，为了简化计算，可以选取一定范围内的水域进行计算.本文选取的水域范围为桥墩半径的5倍，根据计算，每个桥墩周围选取的水域面积为30 m×40 m=1 200 m2,

桥梁上部结构和桥墩均采用SOLID45单元进行建模，采用FLUID30单元模拟水单元.其中，SOLID45单元为三维实体单元；FLUID30单元为三维声学流体单元，直接与结构接触的流体单元使用FLUID30(PRESENT)单元，非直接接触流体单元使用FLUID30(ABSENT)单元.指定流体和结构分界面处结构是否存在利用KEYOPT(2)来进行指定，即当KEYOPT(2)= 0 表示分界面处有结构，KEYOPT(2)= 1表示分界面处无结构.在流体和固体接触的交界面上，采用FSI标签进行标记.并在水体外围施加压力为零的边界条件.

总共建立5个模型，分别为水深10，20，30，40，50 m，建立有限元模型，见图3.

图3 不同水深时的结构模型

3 地震波的选择

根据本桥的地质资料，参照《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)，按Ⅲ类场地土计算，基本烈度为7度的标准，地震波采用“中国天津(1976)地震记录”，天津波的记录时长为5 s，时间间隔为0.01 s.从记录值中每0.1 s取一个值，一共取50个值.对于原始的记录数据按以下方式进行处理，然后在ANSYS中进行输入.

图4 调整后的天津波加速度时程曲线

4 有水状态下地震效应时程分析

在计算地震效应时考虑水对地震效应的影响，进行时程分析，计算水深10，20，30，40，50 m情况下结构的位移及应力，分别计算墩顶位移、中跨跨中位移、墩底与墩顶应力时程以及中跨跨中应力时程.本文采用的地震波输入方式为横桥向与纵桥向分别输入，分别计算其位移及应力时程[6-7].由于在地震波作用下，结构的位移和应力随时间变化，故取其在地震波作用下的位移和应力峰值，即MIN和MAX位移及应力.

计算结果按照横桥向和纵桥向分别分析，计算不同水深状态下与无水状态下位移与应力的变化率.计算公式定义为

×100%

(1)

×100%

(2)

其中，有水时结构的位移和应力分为10，20，30，40，50m5种情况计算.分别计算不同水深下位移与应力的min值与max值与无水状态下的差异.

4.1 横桥向地震波作用下计算结果分析

1)位移变化分析 在横桥向地震波作用下，

按式(1)计算得不同水深条件下墩顶与跨中位移峰值与无水条件下位移峰值的变化率，见图5.

图5 墩顶与跨中位移变化率

由图5可知，随着水深增加，墩顶和跨中节点的位移呈增大趋势.其中，10～30m水深时变化不明显，水深达到40m时变化率逐步增大，50m水深时达到最大，最大变化率接近5%.由此可以看出，在水深较浅时，水对结构位移的影响较小，水深较大时，对结构的影响较为显著.

2) 应力变化分析 由计算知在横桥向地震波下，墩底应力较大，而墩顶和跨中应力较小，在不同水深条件下，应力均不到1MPa，故比较墩顶和跨中的应力意义不大，仅比较墩底的应力变化.按照式(2)计算得不同水深条件下墩底x(横桥向)、y(纵桥向)、z(竖向)应力变化率，见图6.

图6 横桥向地震波作用下墩底节点各方向应力变化率

由图6可知，在横桥向地震波作用下，随着水深增加，墩底应力明显增大，10 m水深时x，y，z3个方向的应力相比无水状态时最大增幅约10%，随着水深继续增加，墩底应力也持续增大，至50 m时，最终增加约16%.

4.2 纵桥向地震波作用下计算结果分析

在纵桥向地震波作用下，结构在不同水深条件下位移变化率的规律与横桥向地震波作用下相似，故不再单独讨论，仅分析结构在不同水深下应力变化率的规律.由计算结果可知，在纵桥向地震波作用下，结构的墩底产生了较大的应力，故对墩底应力变化规律进行分析.

按照式(2)计算得不同水深条件下墩底x(横桥向)、y(纵桥向)、z(竖向)应力变化率，见图7.

图7 纵桥向地震波作用下墩底节点各方向应力变化率

由图7可知，有水状态时，在纵桥向地震波作用下，墩底x，y，z3个方向的应力变化率相似，但与横桥向地震波作用下应力变化规律有较大的区别.以图7墩底节点z方向应力变化率为例，在纵桥向地震波作用下，水深增大时应力变化并非一致增大，而出现了减小的情况，例如墩底应力的最大应力即拉应力随水深增加而逐渐减小.

同一节点的min与max即压应力与拉应力变化规律呈相反趋势但变化程度不一致，例如，墩底应力min即压应力随水深增加而增加，水深为10 m时，相比无水状态时结构的应力增大约10%，随着水深增加，最大压应力逐渐增大，当水深达到30 m时，应力变化出现了平稳期，30～40 m应力变化不明显，而40 m以后应力变化明显，最大变化率为44%.墩底应力max即最大拉应力在纵向地震波作用下，随着水深增加而逐渐减小，当水深达到40 m时，也同样变化较为明显，当水深达到50 m时，变化率为32%.

5 结 论

1) 考虑水的情况下，随着水深的增加，结构的位移基本呈增大的趋势，且水深越大，变化幅度越明显，当水深超过40 m时，结构的位移明显增大.

2) 进行时程分析时，考虑水的情况下，随着水深的增加，结构的应力同样有增大的趋势，其中，在纵桥向地震波作用下，结构的应力变化更为明显，当水深达到50 m时，应力增幅在50%左右.在横桥向地震波作用下，随着水深增加，当水深达到50 m时，应力增幅可达到17%.由此可见，水对结构的动力响应有较大的影响，深水桥梁的计算应考虑水的因素，在实际工程计算中，忽略此因素的影响将会导致偏于不安全的计算结果.

[1]刘 惠.深水斜拉桥地震响应数值研究[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[2]郑史雄.深水桥墩考虑液固相互作用的地震反应分析[J].桥梁建设，1998(1):52-54.

[3]高学奎,朱 晞.地震动水压力对深水桥墩的影响[J].北京交通大学学报，2006,30(1):55-58.

[4]杨吉新,张 可,党慧慧.基于ANSYS 的流固耦合动力分析方法[J]. 船海工程，2008,37(6):86-89.

[5]李 围,叶裕明,刘春山.ANSYS土木工程应用实例[J].北京：中国水利水电出版社，2007.

[6]朱诗颂.丹江口水库二桥考虑水作用时的地震反应分析[J].武汉理工大学学报，2006,28(10):85-88.

Study on the Impact of Water Depth on Seismic Response of Bridge

YANG Jingnan HE Xiongjun

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

A continuous rigid frame bridge was taking as engineering background to study the impact of water depth on seismic response of bridge, the dynamic response of the bridge in anhydrous condition was calculated. The fluid-solid interaction between piers and water was simulated and finite element models under different water depth condition were established, the dynamic response analysis was carried out in order to compare with anhydrous condition. The results showed that with the increase of water depth, it had a significant impact on the stress of bridge structure. As the water depth increased, the stress of the structure was increased, and the seismic response was violent when the orientation of seismic waves was along the bridge.

deep-water bridge; water depth; seismic effects; fluid-solid interaction

2015-03-30

*国家自然科学基金项目资助(批准号：51178361)

U44

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.019

杨竟南(1987- )：男，博士生，主要研究领域为桥梁工程