摘要:在Morison方程的基础上,用附加水质量法考虑动水压力对桥墩的影响,以单柱式桥墩为研究对象,以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑桩-土动力相互作用的单柱式桥墩地震反应分析模型,考虑土体和桥墩混凝土的动力非线性特征,分析了地震动作用下动水压力对单柱式桥墩的墩顶相对墩底位移、加速度、剪力和弯矩反应的影响,并探讨了水位对单柱式桥墩地震反应特性的影响。结果表明:动水压力改变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,水位变化影响桥墩的地震反应特性。对于深水桥墩抗震设计计算,考虑动水压力效应、水位变化是有必要的。
关键词:Morison方程;动水压力;附加水质量法;单柱式桥墩;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动作用过程的始终。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动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。P.Arnold等(1977)[1]对带桩基础的海上石油平台进行了有限元分析,考虑了上部水体与结构的动力相互作用;Yoshihiro等[2]提出的理论基于悬臂梁振动方程,只能适用于全部淹没于流体中的墩柱;李玉成等[3]的研究结果表明,结构和流体间的相互作用对结构的动力反应影响较大;高学奎等[4-5]基于刚性地基的假设,研究了地震动水压力对深水桥墩的影响;赖伟等[6]利用半解析半数值方法,对弹性桥墩结构进行了动水压力分析。但是这些方法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是不能忽视的。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,用附加水质量法考虑水的影响,采用二维有限元方法分析深水桥墩的地震反应。
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。
某刚构桥采用单柱式实心桥墩,桥墩为圆形实心截面的高墩结构,其直径为3 m,高36 m,水深hw=30 m。桥墩下设高1. 5 m、宽4. 5 m的正
方形承台,承台下采用四根钻孔灌注桩支承,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,其值为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。土层厚度为25 m,地基宽度为60 m,地基宽度与桥墩承台宽度之比为13. 3。以附加水质量法考虑水对桥墩的影响,不考虑波浪和水流的作用。图1为单柱式桩基础桥墩示意图及其有限元模型。采用黏塑性记忆型嵌套面本构模型描述土的动力特性[9],其模型参数见表1。可以认为,在地震动作用过程中,水下土体处于饱和不排水状态,土的泊松比取0. 49。混凝土的动力本构模型采用动力损伤塑性模型[10],桥墩及其盖梁、承台采用C50混凝土,桩身采用C30混凝土,其模型参数见表2。
采用频谱差异较大的日本Kobe地震波、美国ElCentro地震动和南京人工波作为输入地震动,地震动加速度时程及其傅氏谱见图2。此外,为考虑地震动强度的影响,将输入地震动峰值加速度的大小分为3个水平,依次为: 0. 1 g、0. 2 g和0. 4 g。
在基岩地震动作用下,桥墩顶部相对墩底的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,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。
桥墩墩身相对于底部的位移反应峰值,由图可以看出,由于动水压力改变了桥墩的反应特性,桥墩墩身相对于墩底的位移峰值发生了变化,除输入峰值加速度为0. 2 g的南京人工波时桥墩墩身相对于墩底位移峰值有所减小,其余均有所增大,在桥墩顶部相对于墩底位移峰值达到最大值。无水与有水情况下桥墩顶部和底部之间的相对位移反应时程曲线,从中也可以明显地看出,考虑动水压力影响后,墩顶相对于墩底的位移反应时程发生了显著的变化。
桥墩墩身的加速度反应,可以看出,由墩底至墩顶,加速度先减小后增大,这可能是由于桥墩底部受到较大的地震作用,出现了混凝土的局部开裂,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。对于单柱式桥墩,底部区域为潜在塑性铰区域。为此,本文比较了在无水和有水情况下桥墩底部受到的地震剪力和弯矩,以考虑地震动作用下动水压力对桥墩内力的影响。
桥墩墩身的剪力反应峰值。可以看出,墩底受到的地震剪力明显大于墩底以上各部位,该区域非常容易产生塑性铰。图9为桥墩墩身的弯矩反应峰值。可以看出,墩底10 m范围内受到的弯矩明显大于其它各部位。
在地震动作用下,桥墩底部是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,以更好的与承台或盖梁相连接,充分发挥钢筋的强度以考虑由于动水压力带来的影响。在桥梁使用周期内,桥墩所处水位一般是有变动的,而地震发生的时间是难以预料的,这样桥墩所受的水动力效应也是变化的。因此,有必要研究不同水位下的深水桥墩地震反应特性。这
里,比较了水位分别为5 m、10 m、15 m、20 m和25 m时该单柱式桥墩的地震反应特性。
现行《公路桥梁抗震设计规范》和《铁路桥梁抗震设计规范》中,仅粗略地考虑了水动力效应对桥墩的作用;为了确保重大桥梁工程的抗震安全,详细分析桥梁在常水位、枯水位和洪水位等不同水位下的地震反应特性是有必要的。
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,考虑土体和混凝土桥墩结构的非线性特征,分析了地震动作用下动水压力效应对单柱式桥墩地震反应的影响,主要结论如下:
(1)除输入峰值加速度为0. 2 g的南京人工波外,动水压力对墩身相对于墩底的位移的影响以增大为主,对墩顶相对于墩底位移有放大作用;除输入峰值加速度为0. 1 g和0. 2 g的ElCentro波以外,动水压力效应对墩顶绝对加速度的影响较大,对墩顶加速度的动力系数β谱也有一定的影响。
(2)动水压力效应对墩身的剪力和弯矩均有一定的影响。对于墩底内力,输入峰值加速度0. 2 g的ElCentro波时影响较大,就其平均影响而言,动水压力效应对墩底剪力和弯矩的影响规律是相似的。
(3)水位对单柱式桥墩地震反应具有不可忽视的影响,总体上,随着水位的升高,动水压力效应对单柱式桥墩的影响有增大的趋势。
因此,考虑动水压力效应对单柱式深水桥墩结构地震反应的影响是有必要的;忽略动水压力效应可能低估其动力反应,是偏于不安全的。由于桥梁结构体系的差异性和地震动的随机性,这种动水压力效应有待于进一步深入研究和探讨,使深水桥墩地震反应及其抗震分析更趋合理。
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