蘇京華,柳春光
(1.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024;2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院 工程抗震研究所,遼寧 大連 116024)
我國(guó)西部地區(qū)幅員遼闊,江河湖泊眾多,為發(fā)展經(jīng)濟(jì),建造了很多跨湖、跨河橋梁。剛構(gòu)橋以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、剛度大、適用于跨度大的場(chǎng)地、造型美觀等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中[1]。由于西部地區(qū)溝壑縱橫、多大峽谷,其中相當(dāng)數(shù)量的剛構(gòu)橋處于深水環(huán)境中。在地震作用時(shí),橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)處于一個(gè)復(fù)雜的受力環(huán)境中,地震作用、波浪力、水流力等都會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。但目前對(duì)于這方面的研究還十分稀少,且結(jié)論尚未統(tǒng)一,因此本文以一整橋剛構(gòu)橋有限元模型為例,以期豐富這一方面的科研內(nèi)容。
地震作用對(duì)橋梁的影響主要以動(dòng)水壓力的形式體現(xiàn)。賴(lài)偉等[2]提出一種考慮表面波效應(yīng)及流體壓縮影響的半解析半數(shù)值方法計(jì)算地震作用下圓形截面橋墩所受的動(dòng)水壓力。劉振宇等[3-4]采用輻射波浪理論推導(dǎo)出圓形橋墩、矩形橋墩內(nèi)外動(dòng)水壓力表達(dá)式,結(jié)果表明內(nèi)外動(dòng)水壓力的不利影響需同時(shí)考慮,又提出墩-水耦合作用對(duì)橋梁橫向地震動(dòng)的影響程度更大。楊萬(wàn)理[5]基于輻射波浪法和流體單元法提出了一種新的基于混合法的正方形和矩形橋墩的外域動(dòng)水壓力表達(dá)式,基于頻率降低的附加質(zhì)量比法提出一種任意形狀橋墩動(dòng)水壓力的方法。黃信等[6]比較了Morison方程與輻射波浪法所求得的動(dòng)水壓力對(duì)橋墩響應(yīng)影響的差異;分析了考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用和雙向地震作用兩種情況下動(dòng)水壓力對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。李喬等[7]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出使用附加剛度法模擬橋墩的彈性振動(dòng)問(wèn)題。
波浪作用下對(duì)于橋梁動(dòng)力響應(yīng)的研究已比較完善。李璐璐等[8]利用FLUENT模擬波浪并與試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了CFD計(jì)算群樁承臺(tái)波浪力的適用性。柳春光等[9]指出在計(jì)算波浪作用對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)要考慮到波浪是否與結(jié)構(gòu)頻率相近而產(chǎn)生共振現(xiàn)象。
以上地震動(dòng)水壓力的研究均以靜水環(huán)境為基礎(chǔ),對(duì)于考慮波浪等復(fù)雜環(huán)境下的研究相對(duì)較少。李忠獻(xiàn)等[10]利用輻射波浪理論計(jì)算地震動(dòng)水壓力,以繞射波浪理論計(jì)算波浪力,分別就單獨(dú)地震作用、單獨(dú)波浪作用以及地震波浪聯(lián)合作用三種情況下計(jì)算得出橋梁的動(dòng)力響應(yīng),結(jié)果表明地震動(dòng)水壓力會(huì)增大結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),波浪力的入射角度對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響較小,聯(lián)合作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)并不是兩者單獨(dú)作用結(jié)果的簡(jiǎn)單疊加。林曾等[11]以一個(gè)圓形截面實(shí)體橋墩為例計(jì)算得出波浪地震聯(lián)合作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)較地震單獨(dú)作用時(shí)小。吳安杰等[12]指出波流對(duì)在地震響應(yīng)的影響最高可達(dá)63.5%。
本文以一個(gè)整體空心薄壁剛構(gòu)橋?yàn)槔?,利用有限元軟件ANSYS就單獨(dú)地震作用、單獨(dú)波浪作用及地震波浪聯(lián)合作用三種情況對(duì)整橋進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程分析,并考慮了有無(wú)內(nèi)域水,不同水深、波長(zhǎng)等情況對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響。
為平衡矩形空心橋墩內(nèi)外壓力,通常將橋墩做開(kāi)洞處理,所以橋墩在地震作用時(shí)會(huì)同時(shí)受內(nèi)、外動(dòng)水壓力影響。文獻(xiàn)[3]指出內(nèi)部動(dòng)水壓力對(duì)橋梁響應(yīng)的影響不可忽略,應(yīng)同時(shí)考慮兩種動(dòng)水壓力。
本文采用文獻(xiàn)[5]中的方法計(jì)算地震動(dòng)水壓力,基于輻射波浪法計(jì)算內(nèi)域水地震動(dòng)水壓力,基于頻率降低率的附加質(zhì)量比法計(jì)算外域水地震動(dòng)水壓力。
(1) 內(nèi)域水動(dòng)水壓力微分方程如式(1)所示:
(1)
基本假定為:
① 不考慮阻尼影響
結(jié)果如式(2)所示:
(2)
(2) 外域水動(dòng)水壓力自由運(yùn)動(dòng)方程如式(3)所示:
(3)
其中:Ma為附加質(zhì)量。
不考慮動(dòng)水壓力的自由微分方程如式(4)所示:
(4)
求解式(3)、式(4)得出頻率降低率并擬合得到矩形截面橋墩附加質(zhì)量比為:
p(h,D,lab)=[0.017ln(D)ln(h)+0.024ln(h)-
0.1ln(D)+0.34]×lab0.0434ln(h)-0.0028Dlnh-1
(5)
其中:L為外域非迎水面寬度;D為迎水面寬度;lab=L/D為長(zhǎng)寬比。
單位高度外水附加質(zhì)量為:
Ma=ρconD2p(h,D,lab)
(6)
其中:ρcon為橋墩質(zhì)量密度。
對(duì)于圓形截面大尺度結(jié)構(gòu)(D′/L′>0.2)波浪力的求解采用繞射波浪理論計(jì)算,其中D′為橋墩直徑,L′為波長(zhǎng)。依據(jù)繞射波浪理論,結(jié)構(gòu)受波浪擾動(dòng)后的速度勢(shì)可以視為入射波場(chǎng)與散射波場(chǎng)的疊加[13]。
φ=Φe-iωt=(ΦI+ΦS)e-iωt
(7)
任意高度z處的波浪力如式(8)所示:
(8)
(9)
沿高度方向積分計(jì)算橋墩所受的總力的大小為:
(10)
彎矩大小為:
cosh(kh)+1)×A(kD′)sin(ωt-α)
(11)
則波浪力作用點(diǎn)距橋墩底部的距離為:
(12)
依據(jù)《海港水文規(guī)范》[14](JTS145—2013)提供的方法將矩形截面轉(zhuǎn)化為圓形截面計(jì)算。
(13)
其中:d為換算后直徑。
目前對(duì)于地震、波浪二者耦合作用下的計(jì)算方法研究基本處于空白階段,文獻(xiàn)[10-11,15]給出了兩者在聯(lián)合作用時(shí)動(dòng)力方程的疊加方法。本文依托于有限元軟件ANSYS中的時(shí)程分析實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的計(jì)算。
地震作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程如式(14)所示:
(14)
波浪作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為:
(15)
當(dāng)?shù)卣?、波浪?lián)合作用時(shí)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程可寫(xiě)作:
(16)
結(jié)構(gòu)阻尼采用Rayleigh阻尼形式:
C=αM+βK
(17)
其中:ω1、ω2為結(jié)構(gòu)第一階與第二階自振圓頻率;ζ1、ζ2為第一階與第二階自振圓頻率相對(duì)應(yīng)的阻尼比。
依據(jù)本章1.1與1.2小節(jié)的計(jì)算方法求得附加質(zhì)量與波浪力,將其代入式(16)便可得出聯(lián)合作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式。
橋梁主橋孔跨尺寸為120 m+220 m+120 m,橋面寬度11 m,剛構(gòu)橋橋墩為矩形變截面空心薄壁墩,主墩順橋采用1∶100放坡,橫橋向采用1∶80放坡,壁厚采用0.7 m、0.8 m及0.9 m變截面壁厚;輔助橋墩順橋向與橫橋向均采用1∶80放坡,壁厚采用0.6 m、0.7 m及0.8 m變截面壁厚。主梁為變高度直腹式箱型梁,主墩墩頂處梁高14.5 m,跨中及輔助墩墩頂梁高4.5 m,最高蓄水位為165 m。橋墩尺寸如表1所示,橋梁模型如圖1所示。
表1 橋墩尺寸表
圖1 橋梁結(jié)構(gòu)模型圖
橋梁整體采用殼單元中的SHELL181單元模擬,地震動(dòng)水壓力以求得的附加質(zhì)量轉(zhuǎn)化為附加密度施加于結(jié)構(gòu)之上。主墩(2墩、3墩)與主梁剛接,輔助墩(1墩、4墩)與主梁利用彈簧單元連接,橋墩底部與地面剛接,結(jié)構(gòu)整體采用C50混凝土,其橋梁模擬參數(shù)主要有三項(xiàng),如表2所示。整體結(jié)構(gòu)以橫橋向?yàn)閤軸,豎向?yàn)閥軸,順橋向?yàn)閦軸建立模型。地震波作用于橋墩底部固結(jié)處,波浪力作用點(diǎn)依據(jù)計(jì)算得出。
表2 橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)表
為對(duì)比地震作用下水對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響,本文選取有水(165 m)及無(wú)水(0 m)工況下前五階自振頻率作為參照。表3為結(jié)構(gòu)自振頻率對(duì)比結(jié)果。
表3 有、無(wú)水工況下結(jié)構(gòu)自振頻率表
由表3可以看出,附加質(zhì)量的存在改變了結(jié)構(gòu)的自振頻率,且對(duì)自振頻率影響較大,水的存在減小了結(jié)構(gòu)的自振頻率,基頻由無(wú)水時(shí)的0.150 37改變?yōu)橛兴畷r(shí)的0.113 97,變化幅值為-24.2%。這是由于本文中水的影響是以附加密度的形式加到結(jié)構(gòu)上的,密度的增加使得結(jié)構(gòu)質(zhì)量增大從而減小了結(jié)構(gòu)的自振頻率,且由于該橋梁結(jié)構(gòu)通體為空心薄壁結(jié)構(gòu),體積較大而質(zhì)量小,因此附加質(zhì)量相對(duì)于結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量來(lái)說(shuō)不可忽略,對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率的影響也較大。
利用輻射波浪法和基于頻率降低率的附加質(zhì)量比法計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)地震作用時(shí)靜水對(duì)其產(chǎn)生的附加質(zhì)量,取El Centro波與天津波沿橫橋向輸入,通過(guò)調(diào)幅將地震波峰值加速度取為0.1g,El Centro波時(shí)間步長(zhǎng)為0.02 s,取前30 s作為研究對(duì)象,天津波時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s,取前19.2 s作為研究對(duì)象,兩種波的加速度時(shí)程曲線(xiàn)如圖2、圖3所示,本文以天津波作為主要研究對(duì)象,同時(shí)考慮有無(wú)水、內(nèi)外水、水深等情況下動(dòng)力響應(yīng)的差異,以下所列動(dòng)力響應(yīng)曲線(xiàn)均為天津波作用下的結(jié)果。汶川地震時(shí),廟子坪岷江大橋橋墩深水區(qū)位置開(kāi)裂,修復(fù)困難[16],因此本文著重關(guān)注主墩的動(dòng)力響應(yīng)。
圖2 天津波加速度時(shí)程曲線(xiàn)
圖3 El Centro波加速度時(shí)程曲線(xiàn)
為得出水深對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響程度,分別就無(wú)水、滿(mǎn)水(165 m)、半水(82.5 m)三種情況進(jìn)行分析,三種情況均同時(shí)考慮內(nèi)外域水,分別計(jì)算出內(nèi)外域水產(chǎn)生的附加密度,將其疊加后同時(shí)施加到結(jié)構(gòu)上。表4為不同水深情況下結(jié)構(gòu)各位置處位移與應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果。圖4與圖5為天津波作用時(shí)三種工況下主墩墩頂與輔助墩墩頂?shù)奈灰茣r(shí)程曲線(xiàn)。
表4 結(jié)構(gòu)各位置在不同水深時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)
圖4 2墩頂位移時(shí)程曲線(xiàn)
圖5 1墩頂位移時(shí)程曲線(xiàn)
由表4可以看出,水的存在增大了結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)力響應(yīng),以天津波為例,半水情況下,主墩位移由無(wú)水情況下的142.9 mm增加到180.4 mm,增幅為26.24%,主墩墩底應(yīng)力由無(wú)水情況下的4.14 MPa增加到7.36 MPa,增幅為77.8%;滿(mǎn)水狀態(tài)下,主墩位移由142.9 mm增至153.2 mm,增幅為7.2%,主墩墩底應(yīng)力由4.14 MPa增至6.72 MPa,增幅為62.3%。水對(duì)橋梁動(dòng)力響應(yīng)的影響主要是由慣性力與阻尼力兩部分組成的,在入水深度不大時(shí),主要由慣性力起作用,水的存在極大地增加了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng);而當(dāng)水深過(guò)大時(shí),如滿(mǎn)水狀況下,水幾乎將整橋淹沒(méi),阻尼力起到了一定的作用,使得橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)幅值有所下降。因此對(duì)于整橋結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),水的存在增大了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),但其增幅存在先增大后減小的情況。對(duì)于El Centro波有相同結(jié)論。
考慮內(nèi)域水對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響,就滿(mǎn)水情況下進(jìn)行討論。表5為分別有無(wú)內(nèi)域水情況下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況。
表5 有無(wú)內(nèi)域水時(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)
由表5可得內(nèi)域水對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響不可忽略,以主墩動(dòng)力響應(yīng)為例,天津波作用條件下,僅外域水作用時(shí)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)為143.1 mm,內(nèi)外域水作用下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)為153.2 mm,內(nèi)域水的影響程度為7.1%;外域水作用下主墩墩底的應(yīng)力響應(yīng)為5.71 MPa,內(nèi)外域水同時(shí)作用下的應(yīng)力響應(yīng)為6.72 MPa,內(nèi)域水的影響程度為17.7%。El Centro波條件下,僅外域水作用時(shí)結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)為110.8 mm,內(nèi)外域水作用下位移動(dòng)力響應(yīng)為98.4 mm,內(nèi)域水影響程度為-11.2%。外域水作用下主墩墩底的應(yīng)力響應(yīng)為4.43 MPa,內(nèi)外域水同時(shí)作用下的應(yīng)力響應(yīng)為2.81 MPa,內(nèi)域水的影響程度為-38.8%。由此可得內(nèi)域水對(duì)主墩的影響較大,最高可達(dá)38.8%,因此結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)內(nèi)域水不可忽略,需同時(shí)考慮內(nèi)外域水,結(jié)論與文獻(xiàn)[3]相似。且內(nèi)域水對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響為增大或減小與地震動(dòng)特性有關(guān)。
表6 波浪作用動(dòng)力響應(yīng)
圖6 40 m波浪作用下結(jié)構(gòu)各點(diǎn)位移曲線(xiàn)
圖7 30 m、40 m、50 m波浪下2墩墩頂位移曲線(xiàn)
由圖6可得,同一波浪作用下,各點(diǎn)位移曲線(xiàn)周期相同,波浪作用對(duì)輔助墩、主墩及主梁跨中位移的影響程度是依次遞增的,這是由于主墩相較于輔助墩來(lái)說(shuō)墩高較大,結(jié)構(gòu)更柔,因此位移較大,而跨中位移最大則是由于跨中底部無(wú)墩柱連接,無(wú)法約束其橫向位移,因此波浪作用下,輔助墩、主墩、跨中位移依次增大。圖7可以看出,不同波長(zhǎng)波浪作用下,同一節(jié)點(diǎn)處位移峰值出現(xiàn)時(shí)刻不同,響應(yīng)大小不同。這是由于波長(zhǎng)為30 m時(shí),波浪周期為4.386 s,頻率為0.228,波長(zhǎng)為40 m時(shí),波浪周期為5 s,頻率為0.2;波長(zhǎng)為50 m時(shí),波浪周期為5.66 s,頻率為0.176。因此波長(zhǎng)較長(zhǎng)的波浪峰值出現(xiàn)較晚,而波長(zhǎng)的增大還會(huì)減小波數(shù),從而增大波浪力的大小,波長(zhǎng)為50 m時(shí)頻率更接近結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)頻率0.150 37,更接近共振頻率,這些因素都使得結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大。由表6中1墩墩頂?shù)膽?yīng)力數(shù)據(jù)為例,波長(zhǎng)從30 m到40 m時(shí),應(yīng)力由0.028 MPa變?yōu)?.350 MPa,增大12.5倍,變化顯著,波長(zhǎng)從40 m到50 m時(shí),應(yīng)力由0.35 MPa變?yōu)?.69 MPa,增大1.97倍,由此可以得出除去波長(zhǎng)因素的影響,波長(zhǎng)為30 m的波浪幾乎不受結(jié)構(gòu)共振的影響,以此為研究對(duì)象得出的結(jié)論更具有普遍性。
為規(guī)避波浪作用時(shí)波浪與結(jié)構(gòu)共振情況的產(chǎn)生,本文就半水情況下、同時(shí)考慮內(nèi)外域水、波長(zhǎng)為30 m情況為例,考慮波浪、地震聯(lián)合作用對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。表7為僅地震、僅波浪與聯(lián)合作用時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)各點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果,圖8、圖9為三種工況下跨中與主墩墩頂位移時(shí)程曲線(xiàn)。
表7 地震、波浪聯(lián)合作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)
圖8 1墩頂位移圖
圖9 2墩頂位移圖
以天津波為例,由表6可得,僅考慮波浪作用時(shí),主墩墩頂?shù)奈灰茷?7.8 mm,墩底應(yīng)力為0.073 MPa,地震作用下,主墩墩頂?shù)奈灰茷?80.4 mm,墩底應(yīng)力為7.36 MPa,地震、波浪聯(lián)合作用時(shí),主墩墩頂?shù)奈灰茷?80.5 mm,墩底應(yīng)力為10.2 MPa。由此可見(jiàn),波浪的存在在一定程度上影響了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),僅波浪作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)較僅地震作用時(shí)小。波浪對(duì)于結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的影響較小,對(duì)應(yīng)力響應(yīng)的影響較大,主墩墩底應(yīng)力增幅為38.6%,因此波浪的作用不可忽略,由圖8、圖9可以較為明顯地看出聯(lián)合作用時(shí),位移曲線(xiàn)形狀與地震作用時(shí)相似,說(shuō)明聯(lián)合作用時(shí),地震作用的影響更大。對(duì)于El Centro波有相同結(jié)論。
為分析地震作用及聯(lián)合作用對(duì)結(jié)構(gòu)本身的影響,以天津波為例,討論在僅地震作用無(wú)水工況、半水工況及聯(lián)合作用半水工況條件下,主墩墩頂加速度變化情況,圖10為墩頂加速度時(shí)程曲線(xiàn)。
圖10 主墩墩頂加速度時(shí)程曲線(xiàn)
其中,僅地震作用無(wú)水工況下,峰值加速度為4.3 m/s2,半水工況下峰值加速度為4.27 m/s2,水的存在減小了結(jié)構(gòu)的峰值加速度,這是由于水的存在增大了結(jié)構(gòu)本身的柔度與阻尼,使得峰值加速度減小,以上結(jié)論佐證了3.1小節(jié)的結(jié)論。地震波浪聯(lián)合作用工況下,結(jié)構(gòu)峰值加速度為4.49 m/s2,較僅地震作用半水工況下的峰值加速度增幅為5.1%,這是由于波浪作用的存在,增大了結(jié)構(gòu)的受力,從而使得結(jié)構(gòu)峰值加速度有了一定程度的增大,該結(jié)論佐證了3.4小節(jié)關(guān)于波浪對(duì)地震響應(yīng)影響的結(jié)論。
(1) 地震作用時(shí),水的存在減小了結(jié)構(gòu)的自振頻率并增大橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),位移增幅最大為26.24%,水的存在增大了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),但其增幅存在先增大后減小的情況;內(nèi)域水對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響不可忽視,需同時(shí)考慮內(nèi)外域水的影響。
(2) 波浪特性不同會(huì)改變橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),波浪的波長(zhǎng)不同會(huì)使結(jié)構(gòu)位移峰值出現(xiàn)時(shí)刻改變,更接近共振頻率的波長(zhǎng)會(huì)使結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力響應(yīng)均增大。
(3) 僅波浪作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)較僅地震作用時(shí)小,聯(lián)合作用時(shí)地震作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響較大,波浪的存在影響了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),應(yīng)力增幅可達(dá)38.6%,波浪對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響不可忽略。