摘 要:以双柱式桥墩为研究对象,以基于Morison动水压力公式的附加水质量考虑水体对桥墩的影响,考虑了土体和桥墩混凝土的非线性特征,建立了水—桩—土—桥墩结构体系的地震反应分析模型,分析了地震作用下水体对桥墩的墩顶相对墩底位移、加速度、剪力和弯矩反应的影响及其动水压力影响系数。结果表明:动水压力改变了桥墩的地震反应特性,增大了桥墩顶部相对底部的位移、墩顶绝对加速度和墩底的内力。对于深水桥墩抗震设计计算,考虑动水压力的影响更符合工程实际情况。
关键词:水—桩—土—桥墩结构; Morison;附加水质量;地震反应
随着交通运输事业的不断发展,我国桥梁建设得到了迅速发展,在我国的大江大河上许多大跨度桥梁的桥墩往往处于深水当中。在地震作用下,处于深水中的桥墩会发生一定振动和变形,并引起周围水体的晃动,水体又以动水压力的形式反作用于桥墩,改变桥梁墩身的振动和变形状态,这种
作用与反作用伴随地震的始终。因此,动水压力问题是一个十分复杂的问题。
国内外一些学者对地震作用下桥墩动水压力问题进行过一定的研究,并得到了一些有益的结论[1~6]。但是这些研究没有考虑桥梁上部结构的刚度和质量的影响,且大部分是基于刚性地基假设,没有考虑地基土、桩基础、墩台结构的相互作用,而许多研究已经表明,这种相互作用对结构动力特性的影响不能忽视的。此外,大部分的研究对象均较简单,缺乏对实际的桥梁墩台结构进行分析。本文在Morison方程的基础上,用附加水质量考虑水的影响,采用有限元方法分析水—桩—土—桥墩结构的地震反应分析模型。
对于圆柱体桥墩,桥墩上的动水压力可采用Morison方程近似计算。假设水体不可压缩,将水以附加质量的形式作用在桥墩上,分析桥墩的地震反应。忽略桥墩对水运动的影响,认为水对桥墩的作用由未受扰动的加速度场和速度场引起的沿水运动方向作用于桥墩上的惯性力和阻尼力引起的.
某刚构桥采用双柱式实心桥墩,桥墩为圆形实心截面的高墩结构,其直径2 m,间距8 m,高36 m,水深hw=30 m。桥墩下设高1.5 m、宽12 m的正方形承台,承台下采用6根钻孔灌注桩支承,桩长18 m,直径为1 m,间距为3 m。桥面为双向四车道,宽为12 m,桥墩顶部集中质量取一跨桥面系的质量,其值7.8×105kg。
土体和承台采用四结点实体单元模拟,桥墩、盖梁和桩身结构采用二节点梁单元模拟,上部结构以集中质量的形式作用在盖梁上,采用质量单元模拟。本文采用足够大的地基边界来消除边界效应对结构动力反应的影响,地基宽度取9m,地基宽度与桥墩承台宽度之比为7.5,根据已有的研究表
明,这个宽度足以消除边界效应对结构地震反应的影响。以附加水质量考虑水对桥墩的影响,不考虑波浪和水流的作用。图1为水—桩—土—桥墩结构体系的示意图及有限元模型。
在桥墩抗震分析中,墩顶的绝对加速度和相对墩底位移是评价墩台结构地震稳定性的主要分析依据。桥墩顶部相对墩底位移是在桥梁抗震设计时进行桥墩地震变形验算的重要内容之一,在基岩地震动作用下,传至桥墩顶部的绝对加速度是关系桥面运动状态的关键因素。
桥墩的墩身相对墩底位移反应峰值和加速度反应峰值,可以看出,由于动水压力改变了桥墩的反应特性,桥墩墩身相对墩底位移峰值发生了变化,使得桥墩墩身相对底部的位移反应峰值有所变化,并在桥墩顶部相对墩底位移峰值达到最大值。加速度由墩底至墩顶先减小后增大,这可能是由于桥墩底部受到较大的地震作用,出现了混凝土的开裂,形成塑性铰,墩底区域截面抗弯刚度降低,导致桥墩的加速度反应减小,位移反应增大,后又由于上部结构的惯性作用,使得桥墩中上部区域的加速度有所增大,墩顶加速度与墩底大小相当。
在地震作用下,桥墩容易发生破坏,往往是由于某个部位的内力反应值超过其承载能力,从而产生塑性铰。对于柱式桥墩,底部区域为潜在塑性铰区域,为此,本文分析比较了在无水和有水情况下桥墩底部受到的剪力和弯矩,以考虑地震作用下动水压力对桥墩内力的影响。桥墩墩身的剪力和弯矩反应峰值。可以看出,墩底受到的剪力明显大于墩底以上各部位,可见,基岩地震作用下,墩底受到了很大的作用力,该区域非常容易产生塑性铰;墩底10 m范围内受到的弯矩明显大于其它各部位。在地震作用下,桥墩底部容易产生塑性铰的区域,而动水压力对该区域也有一定程度的影响,因此,对于深水桥墩抗震设计,考虑动水压力的影响是有必要的,在设计中可采取小间距的圆形箍筋或螺旋形箍筋约束住核心混凝土的横向变形,延长桥墩的纵向配筋以更好地与承台或盖梁相连接,充分发挥钢筋的强度等措施以考虑由于动水压力带来的影响。
地震作用下,动水压力对柱式桥墩地震反应的影响时不可忽视的。本文以基于Morison动水压力公式的附加水质量法考虑水对桥墩的影响,考虑了土体和混凝土桥墩结构的非线性特征,输入了美国El centro地震波,分析了地震作用下动水压力对双柱式桥墩地震反应的影响及其动水压力影响
系数。得到的结论如下:
(1)对于墩顶相对墩底位移,动水压力对墩身相对墩底位移的影响较小;对于墩顶绝对加速度,动水压力的影响较大。
(2)对于桥墩内力反应,动水压力对墩身的剪力和弯矩均有一定的影响,且平均影响均较大,其影响规律相似。可见,对于深水桥墩抗震计算,考虑动水压力对柱式桥墩结构的影响是有必要的,忽略动水压力可能低估其动力反应,是偏不安全的。同时,由于桥梁结构体系的差异和地震动随机性的影响,这种动水压力的作用有待进一步的深入研究和探讨,以使深水桥墩地震反应及其抗震分析更趋合理和准确。
|
