深水桥梁的地震响应研究

论文摘要

桥梁在朝着更大跨度发展的同时,出现越来越多的深水桥梁。目前为止,已建或在建的深水桥梁其桥墩入水深度最深已达168米。深水桥梁在地震作用下,桥墩自身的运动会引起周围水体的辐射波浪运动,而波浪运动也反过来影响桥墩的运动,这样桥梁结构的水下部分便产生了动水压力,而使桥梁的结构动力特性发生改变并影响结构的动力响应水平。从当前深水桥梁抗震研究的文献来看,国内外对深水桥梁的计算理论及地震响应特性的研究仍较少。本文在查阅大量国内外文献的基础上,评述了当前关于水与结构相互作用的计算理论、水中结构地震响应的分析方法及相关的研究成果,并针对深水桥梁在地震作用下的响应特性开展了以下几个方面详细研究:1.采用辐射波浪理论推导了圆形空心墩内域水体附加动水压力的计算解析式;采用相同理论,同时利用矩形截面的主轴与桥的纵轴和横轴相重合的特点,推导了矩形空心墩内、外水域的附加动水压力的计算解析式;采用流固耦合有限元分析的位移—压力格式(u—p)进行了有限元分析,对本文推导的附加动水压力的求解公式的计算精度进行了验证。结果表明,本文的解析式具有较高的精确度。2.将动水附加压力表达为动水附加质量和动水附加阻尼,在此基础上建立了深水桥梁在地震激励下的运动方程,并对其求解方法进行了研究。3.对圆形空心墩和矩形空心墩的动水附加质量沿墩高的分布规律进行了分析,研究了自由表面波、总淹没水深、桥墩几何尺度等因素对动水附加质量的影响:提出了临界水深的概念,并指出临界水深以上部分的动水附加质量成抛物线分布,临界水深以下的部分动水附加质量的分布与水深无关(大小保持不变);对于高频振动的结构自由表面波的影响可忽略;相同水深时几何尺度越大动水附加质量越大,桥墩形状是影响动水附加质量的重要因素;4.将上述研究成果与实际工程相结合,对大跨度深水连续刚构桥进行了地震响应时程分析,分析了深水连续刚构桥在纵向、横向地震作用下响应的特点。研究表明,墩—水耦合振动使主梁和桥墩的内力响应、位移响应大幅增加,是深水连续刚构桥地震响应分析中必须考虑的因素。对内、外墩水域附加质量和总淹没水深对桥墩地震响应的影响进行了分析,结果表明,内、外域水的影响必须同时计入,总淹没水深越深,墩—水耦合振动的不利影响越大;将本文方法的计算结果与欧洲规范、日本规范的计算结果进行了对比,指出欧洲规范对于总淹没水深较浅的桥梁其计算结果过于保守,而日本规范对于总淹没水深较深的桥梁,其计算结果偏于不安全。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 深水桥梁建设的现状
• 1.1.1 我国深水桥梁的建设
• 1.1.2 国外深水桥梁的建设
• 1.1.3 国内外深水桥梁建设的不同
• 1.1.4 深水桥梁地震响应的主要特点
• 1.2 墩—水耦合地震响应研究现状
• 1.2.1 弹性结构与水的耦联振动分析方法
• 1.2.1.1 解析法
• 1.2.1.2 数值分析法
• 1.2.1.3 半解析法（混合型解法）
• 1.2.2 影响动水压力的主要因素
• 1.2.2.1 结构弹性振动的影响.
• 1.2.2.2 自由表面重力波运动的影响
• 1.2.3 地震动水压力的研究
• 1.2.4 目前各国桥梁规范中对动水压力的规定
• 1.3 存在的问题
• 1.4 本课题的研究目的和主要工作
• 第2章 水—桥墩耦联振动的有限元分析
• 2.1 基本假定
• 2.2 无粘性小扰动流动的基本方程和表达形式
• 2.2.1 无粘性小扰动流动的基本方程
• 2.2.1.1 场方程
• 2.2.1.2 边界条件
• 2.2.1.3 无旋流动的特性
• 2.2.2 以压力p为场变量的表达形式
• i为场变量的表达形式'>2.2.3 以位移u_i为场变量的表达形式
• i,p_i）格式'>2.3 流固耦合系统有限元分析的位移—压力（u_i,p_i）格式
• 2.3.1 流固耦合系统的动力学模型和基本方程及边界条件
• 2.3.1.1 流体域（Vf域）
• 2.3.1.2 固体域（Vs域）
• 2.3.1.3 流固交界面需满足的条件
• 2.3.2 用伽辽金法建立流固耦合的有限元方程
• 2.3.2.1 将求解域离散化并构建插值函数
• 2.3.2.2 利用伽辽金法形成求解方程
• 2.4 流固耦合系统的动力特性分析
• 2.4.1 流固耦合方程的对称化处理
• 2.4.2 流固耦合方程对称化过程中的流体刚度矩阵奇异性问题及其消除方法
• 2.5 流固耦合系统的动力响应分析
• 第3章 深水桥梁地震响应分析的半解析法求解
• 3.1 流体-结构线性动力相互作用理论
• 3.1.1 线性波浪理论
• 3.1.1.1 势波的基本方程及边界条件
• 3.1.1.2 线性波浪理论及适用范围
• 3.1.2 线性辐射波浪理论
• 3.1.3 流体-结构动力相互作用问题的求解思路
• 3.2 圆形空心截面桥墩内域水体附加动水压力解析解
• 3.2.1 圆形桥墩内域流体辐射波浪速度势一般解
• 3.2.1.1 流体运动基本方程
• 3.2.1.2 流体辐射速度势及其空间因子的表达式
• 3.2.2 桥墩运动产生的辐射波浪速度势
• 3.2.2.1 求刚体运动产生的辐射波浪速度势
• 3.2.2.2 求弹性振动产生的辐射波浪速度势
• 3.2.3 桥墩上的动水力
• 3.3 矩形墩内、外域水体附加动水压力解析解
• 3.3.1 矩形空心桥墩内域水体附加动水压力解析解
• 3.3.1.1 矩形空心桥墩内域水体辐射波浪速度势一般解
• 3.3.1.2 矩形墩内域流体辐射速度势及空间因子
• 3.3.1.3 桥墩上的动水力
• 3.3.2 矩形墩外域流体附加动水压力解析解
• 3.3.2.1 矩形墩外域流体辐射波浪速度势一般解
• 3.4.2.2 矩形墩外域流体辐射速度势及其空间因子
• 3.3.2.3 外域水体桥墩上的动水力
• 3.4 地震作用下深水桥梁在水中的运动方程
• 3.5 方法验证
• 3.5.1 矩形空心墩附加动水压力的验证
• 3.5.2 圆形空心墩验证
• 3.6 桥墩动水附加质量分析
• 3.6.1 辐射波浪对桥墩附加动水质量的影响
• 3.6.2 圆形墩附加动水质量分析
• 3.6.2.1 几何尺度、水深对附加质量的影响
• 3.6.2.2 本文方法与欧洲、日本规范附加质量计算对比
• 3.6.3 矩形墩动水附加质量分析
• 3.6.3.1 几何尺度、水深对附加质量的影响
• 3.6.3.2 本文方法与欧洲日本规范附加质量的对比
• 3.7 本章小结
• 第4章 深水桥梁地震响应分析
• 4.1 计算模型
• 4.1.1 工程概况及结构模型
• 4.1.2 桥位场地及激励模型
• 4.2 动力特性分析
• 4.3 深水连续刚构桥地震响应分析
• 4.3.1 深水桥梁的地震响应特性
• 4.3.2 空心墩内、外水域对大桥地震响应的影响
• 4.3.3 水深对地震响应的影响
• 4.3.4 本文方法与欧、日规范方法的对比
• 4.4 小结
• 第5章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间从事的科研项目