波浪力对深水桥墩结构在地震和冰荷载作用下的响应影响分析

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地震作用下深水桥梁响应分析

地震作用下深水桥梁响应分析摘要：总结了动水压力对桥墩的影响机理，总结了目前对动水压力的计算方法，分析了地震作用下深水桥梁的响应特征。

研究表明：目前计算结果精确高效经济，一般采用半解析半数值的方法来求解动水压力。

现有研究中研究中采用的桥墩形式较为简化和单一，桥墩截面形式大多为圆形、矩形常规截面，而在现实工作中截面形式复杂多样，应该进行更多形式的深水桥梁地震响应研究。

关键词：深水桥梁；动水压力；Morision方程引言随着我国经济的快速发展，对交通运输业的要求也越来越突出。

随着我国对交通基础设施的大力建设，道路里程越来越长，桥梁数量也在快速增加，并且许多桥梁需要跨越江河湖泊以及水库。

而在我国西南地区这类桥桥梁数量众多，并且该地区也是我国地震多发地带，而桥墩是桥梁的主要抗震构件，地震对其影响不容忽视。

深水桥梁与陆上桥梁有很大不同，在地震荷载作用下，深水桥墩与周围水体发生相互作用。

首先是在地震作用下桥墩发生水平位移对手水体产生影响，而水体在激励下也会反作用与桥墩，从而产生墩水耦合效应增大桥墩的地震响应，因此明确认识墩水耦合作用机理，建立合理有效的墩水耦合抗震分析方法，不仅可以保障人民生命财产安全，也将节约国家经济成本建设，因此对我国交通事业的发展和提高深水桥梁抗震设计有重大意义。

有许多学者对深水桥梁抗震进行了研究，本文将继续对深水桥梁响应进行分析。

1、动水压力作用机理地震激励下，水与结构两相介质之间存在相互作用。

结构在地震激励下会产生运动或变形，其运动或变形改变了流体荷载的分布和大小，流体荷载产生的动水压力又反过来影响结构的运动或变形，是典型的流固耦合振动问题。

2、地震动水压力计算对于动水压力的计算，国内外学者已经进行了大量研究。

主要有以下几种方法一是基于Morision方程的附加质量法，二是辐射波浪法，三是数值法。

2.1Morision方程它是一个半经验半理论的方法，当桥墩横向尺寸较小时（d/l≤0.2），假定其存在对波浪运动无显著影响，桥墩的动水压力可根据半经验半解析的Morision 方程得到。

深水桥墩在波浪效应下动力响应研究综述

１．１．１Ｍｏｒｉｓｏｎ方程１９５０年Ｍｏｒｉｓｏｎ等人提出了一个半经验半理论的
随着交通运输业的发展，各地区经济互动频繁，
桥梁的建设正从跨越江河和近海向跨越海峡发展。
复杂的深水环境给桥梁的设计和施工带来了一系列的难题，而波浪作为桥梁基础设计的主要荷载之一，准确地分析出波浪效应下桥梁的动力响应对其安全
见表１。
近海桥梁动力响应已有一定的的研究，但是对这方面
成果分析总结的文章还比较少。本文主要从两个角度对波浪的荷载的研究现状做了总结，阐述了波浪对
Ｄｏｒｆｍａｎｎ（１９９４）基于线性绕射波浪理论，采用积
低
温
建
筑
技
术
２０１５年第１１期（总第２０９期）

ＤＯＩ：１０．１３９０５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｄｗｊｚ．２０１５．１１．０３３
深水桥墩在波浪效应下动力响应研究综述
郭红涛，王向
度场沿水运动方向分别作用在结构的惯性力和阻力之和。利用此方法计算波浪力的关键在于选择合适的波浪理论计算出水质点的速度和加速度分布情况以及合理确定惯性力系数（Ｃ）和速度力系数（Ｃ。）。Ｂｕ￣ｏｗｓ等（１９９７）探讨了随机波浪作用下Ｍｏｒｉｓｏｎ方程的适用范围，分析得出了惯性力系数及速度力系数和早期研究相符合的结论；Ｔｒｅｅｏ等（２００７）分析了线性和非线性Ｍｏｒｉｓｏｎ方程在分析近海结构物上的差异，并对线性化Ｍｏｒｉｓｏｎ方程做了修正；项贻强等（２０１１）基于Ｍｏｒｉｓｏｎ方程，采用分层积分的方法来计

不同环境荷载激励下考虑流固耦合效应的深水桥墩响应分析

同作用下的结构响应进行数值分析。计算结果表明：构各项参数，括长细比、高以及水深都将会对动水压力影响效应结包墩
产生不同的影响，因此进行深水桥墩设计以及抗震、冰分析时，综合考虑到以上各种影响因素，深水桥墩地震反应及其抗要使
［摘要】为探讨不同环境荷载组合激励下，水压力对深水桥墩结构响应的影响程度，文基于非线性Ｍｒｉ动本ｏｉｏ程，ｓｎ方同
时考虑附加质量效应和流固耦合效应，深水境荷载单独作用下，对冰以及不同组合形式共
抗震、冰分析更趋准确合理。抗
［键词］深水桥墩；固耦合，震作用；关流地冰荷载［中图分类号］Ｕ４．２４３２［献标识码］Ａ文
ＲｅｐｎｓｓｏｅＡｎａｙｉｆＢｒｄｇｅｎＤｅｐＷａｅｎｄｒＤｉｅｅｔＬｏｄｃｉｎｌｓｓｏｉｅＰｉｒｉｅｔｒｕｅｆｒｎａｓＡｔｏ
ＪａＬｎ —ｉｇ，ｎＹｎ（ｃｏｌｆＣｖｏｓｕｔｎＥｇｎｅｉ，ｅａｎｖｒｔｏｅｈｏｏｙＺｅｇｈｕ４０５，ｈｎ）ｉｉｇｌｎＨａａｇＳｈｏｏｉｌｎｔｃｏｎｉｅｒｇＨｎｎＵｉｓｙｆＴｃｎｌ，ｈｎｚｏ５０２ＣｉａｉＣｒｉｎｅｉｇ

动水压力作用下深水桥墩非线性地震响应分析

意截面形状柱体的动水压力，并考虑了土．构的相互作用；Ｙｍａａ等（９９结ａｄ１８）对悬臂结构进行了波浪和地震共同作用下的动力分析，并采用Ｍｏｉｎ方程考虑动水压力作用。国内，ｒｏｓ在
居荣初等（９３较早对梁式结构在液体内的耦联振动进行了研究，并提出了相应的解析解；１８）
Ｆｗ＝一Ｃ（Ｍ一１￣＝一ｗｏ）ｏＭｐＶ
式中，Ｍｗ为动水附加质量；Ｐ为水的密度；和Ｃｂ为惯性力系数和粘性摩擦阻力系数。１２辐射波浪理论．
为结构绝对加速度；Ｖ为单位柱体体积；ＣＭ
辐射波浪理论是应用分离变量法或Ｇｅｎ函数构造水体控制方程中速度势的一般解，并ｒｅ
本文主要研究地震时水中结构的动力响应，可不考虑浪与流的影响，即假定水是静止的，
得到水对单位长度柱体产生的动水压力为：
蜀＝（一１）
（Ｄ｛ｌｐ
（）１
（）２
动水阻力影响一般可以忽略，同时对式（）右边第二项进行线性化，式（）变为：１１
Ｅｍａ：ｘｉｊ．ｕｃ — ｉｚｌｕｄ．ｌ＠ｔｅａ
２期
黄信等：动水压力作用下深水桥墩非线性地震响应分析
３３５
Ｍｏｉｎ方程和辐射波浪理论建立了动水压力的计算方法，同时考虑材料非线性影响研究了ｒｏｓ
动水压力对桥墩地震响应的影响。

地震和波浪力共同作用下桥墩的动力响应研究

０前
言
方程，虑桥墩自身的运动情况并考虑地震和波浪考
力共同作用，用Ｍａａ运ｔｂ软件中ｌｍ命令编程求解ｌｓｉ
桥墩顶的动力响应。
我国ＧＪ１０《路工程抗震设计规范》Ｂ１１— ６铁规定：梁式桥跨结构的实体桥墩，常水位以下部 “ 在
第３６卷
第６期
四川建筑科学研究
ＳｃｕｎＢｉｉｇＳｉｎｅｉｈａｕｄｎｃｃｌｅ１７５
２１００年１２月
地震和波浪力共同作用下桥墩的动力响应研究
吴明军，陈文元肖盛莲，
（．１西南石油大学，四川成都６００；１５０６８０）１００２四川建筑职业技术学院，．四川德阳摘
要：波浪力作用采用非线性的Ｍｒｏｏｉｎ方程，ｓ而桥墩按剪切模型进行离散，建立了桥墩在地震和波浪力共同作用下的非线
性动力方程，并采用时程迭代法计算分析，发现不考虑流固耦合时桥墩的动力响应计算结果明显小于考虑流固耦合时的计算结果。因此，在地震、波浪力共同作用下，考虑流固耦合更符合实际情况。关键词：动力响应；位移响应；流固耦合；Ｍｒｏｏｉｎ方程ｓ
分，水深超过５ｍ时，计人地震动水压力对桥墩的应作用 ” 。在地震作用下，中结构的运动会引起结水构周围水的辐射波浪运动。由于水与结构的相对运动，构水下部分会受到动水压力的作用，动水压结该力不仅会改变结构的动力特性，而且会影响结构的

地震作用下动水压力对深水桥墩的影响

∞ Ｓ
ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｂｒｉｄｇｅｐｉｅｒａｎｄｔｏｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｍｅｔｈｏｄｓ
ｌｅｓｓｔｈａｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅａｄｄｅｄｍａｓｓｍｅｔｈｏｄ；ＭｏｒｉｓｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｇｅｔｓｔｈｅｍｏｒｅｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅｒｅｓｕｌｔｓａｔｓｍａｌｌｅｒｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｐｔｈｗｈｉｌｅＷｅｓｔｅｒｇａｒｒｄｅｑｕａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｍｏｒｅｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅａｎｄｗｈｉｌｅｔｈｅ
ｉｎｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｎｄｓｔｈａｔｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｈｉｌｅｓｅｉｓｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｉｎｄｅｅｐｅｒｗａｔｅｒ，ＳＯｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｆｌｕｉｄ — ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｉｓ

考虑流固耦合效应的波浪作用下桥墩动力响应分析的开题报告

考虑流固耦合效应的波浪作用下桥墩动力响应分析的开题报告一、选题背景桥梁作为现代道路交通的主要承载结构，广泛应用于各类交通项目中。

在桥梁设计中，考虑波浪作用对桥墩的动力响应分析十分重要。

然而，在实际工程中，桥墩结构存在不确定性和复杂性，加之波浪作用的复杂性，波浪作用下桥墩动力响应分析是一个具有挑战性的研究领域。

二、研究目的本文旨在研究波浪作用下桥墩的动力响应，并考虑流固耦合效应对响应的影响，为桥梁设计提供一定的理论和实践指导。

具体研究内容包括：1. 建立桥墩的动力学模型，包括桥墩的质量、刚度和阻尼特性，并探究不同参数对动力响应的影响。

2. 研究波浪作用下桥墩的动力响应特性，探究波浪作用对桥墩的激励力、位移和应力等方面的影响。

3. 考虑流体和固体之间的相互作用，建立流固耦合模型，并分析其对桥墩动力响应的影响。

4. 基于数值模拟方法，研究波浪作用下桥墩动力响应的实际情况，并与实验数据进行验证和分析。

三、研究方法和方案1. 建立桥墩的动力学模型，采用质点模型和多自由度系统模型，并利用传递矩阵法和有限元法进行求解。

2. 分析波浪作用下桥墩的动力响应特性，采用经典响应谱法和时域分析方法进行分析。

3. 考虑流固耦合模型，采用CFD方法和结构动力学方法进行模拟分析。

4. 在研究结果基础上，开展数值模拟分析，并采用ANSYS等软件进行仿真和验证。

四、研究意义波浪作用下桥墩动力响应分析是桥梁设计的重要一环，研究其对提高桥梁抗风、抗震、抗涌和抗飘雪等能力具有重要意义。

同时，对于实际工程中的设计、施工和维护也具有重要指导意义。

五、进度安排本研究将在一年半的时间内完成，具体计划安排如下：第一阶段：文献调研，分析波浪作用下桥墩的动力响应特性，确定研究方向和方法，完成开题报告。

（半个月）第二阶段：建立桥墩的动力学模型，分析桥墩的动力特性。

（三个月）第三阶段：研究波浪作用下桥墩的动力响应特性，分析波浪作用对桥墩的影响。

（四个月）第四阶段：考虑流固耦合模型，模拟流体和固体之间的相互作用，并对结果进行验证。

波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构极限强度分析

波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构极限强度分析引言跨海大桥是连接两个海岛或两岸之间的交通枢纽，是现代交通建设的重要组成部分。

在海上建设大桥，桥墩结构的防撞设计是非常重要的，特别是在波浪较大的海域。

本文将针对波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构的极限强度进行分析，以期为相关工程设计和施工提供参考。

一、波浪载荷对跨海大桥桥墩的影响波浪是海洋中常见的自然现象，其产生的载荷常常成为跨海大桥桥墩结构的主要影响因素之一。

波浪的作用导致桥墩受到不规则的水流和冲击，极大地影响其稳定性和结构安全。

波浪载荷可以通过振动传递到桥墩上，对桥墩产生冲击力和压力，从而影响桥墩的受力性能。

特别是在恶劣天气条件下，波浪的冲击力更是不可忽视。

在跨海大桥的设计和施工中，必须充分考虑波浪载荷对桥墩的影响，设计合理的防撞结构，以确保桥梁的安全稳定运行。

二、跨海大桥桥墩防撞结构设计原则为了应对波浪载荷的作用，跨海大桥桥墩的防撞结构设计需要遵循一些原则，以提高桥墩的抗冲击性能和极限强度。

1. 结构坚固稳定：桥墩防撞结构应设计为坚固稳定，能够承受较大的冲击力和压力，确保桥墩的整体稳定性。

2. 缓冲减震：在桥墩周围设置缓冲材料或减震设施，能够有效减少波浪冲击力对桥墩的影响，降低冲击载荷传递到桥墩上的能量。

3. 弹性变形：桥墩结构设计应考虑其一定的弹性变形能力，能够在受到冲击力作用时发生弹性变形，减少对桥梁本身的损坏。

4. 防侵入阻挡：在桥墩底部设置防侵入设施，能够有效阻止外部物体的侵入，提高桥墩的防撞能力。

以上原则是跨海大桥桥墩防撞结构设计的基本要求，通过合理的设计和施工，能够提高桥墩的抗冲击性能和极限强度，保障桥梁的运行安全。

三、极限强度分析方法在跨海大桥桥墩防撞结构设计中，需要对其极限强度进行充分的分析，以确定其能够承受的最大荷载和最大冲击力。

1. 数值模拟分析：通过建立桥墩的有限元模型，采用数值模拟方法进行冲击载荷作用下的受力分析，确定桥墩受力情况和极限强度。

波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构极限强度分析

波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构极限强度分析跨海大桥是连接两岛之间的重要交通枢纽，而桥墩是支撑跨海大桥的重要结构。

在海洋环境中，波浪是一种常见的载荷作用，而波浪的作用下会对跨海大桥的桥墩造成一定的冲击力，从而影响桥墩的稳定性和安全性。

对波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构的极限强度进行分析具有重要的工程意义。

跨海大桥桥墩防撞结构通常采用防撞橡胶、防撞桥墩、防撞护舷等措施来减缓冲击力，保护桥墩结构不受损坏。

在进行极限强度分析时，首先需要考虑海洋环境中的波浪特性，包括波高、波长、波周期等参数，然后结合跨海大桥的设计要求和桥墩的结构特点，进行有限元分析或者数值模拟，得出桥墩在波浪载荷作用下的受力情况，最终确定桥墩防撞结构的极限强度。

一般来说，跨海大桥桥墩的防撞结构需要考虑以下几个方面的问题：1. 波浪载荷作用下的桥墩受力分析波浪载荷会对桥墩产生冲击力和震动力，这种载荷作用会导致桥墩受力情况复杂，包括静水压力、波浪冲击力、波浪几何反射力等。

在进行极限强度分析时，需要充分考虑这些受力情况，确保桥墩受力处于安全范围内。

2. 桥墩防撞结构设计桥墩的防撞结构设计包括防撞橡胶、防撞桥墩、防撞护舷等，这些结构的选择和设计需要考虑到波浪载荷的影响，确保桥墩在波浪作用下能够受到有效的保护。

还需要考虑桥墩结构的稳定性和可靠性，确保防撞结构能够在极限情况下发挥作用。

3. 极限强度评价通过有限元分析或者数值模拟，可以得出桥墩在波浪载荷作用下的受力情况，进而评价桥墩防撞结构的极限强度。

在评价过程中，需要考虑桥墩的承载能力、扭转刚度、变形情况等指标，确保桥墩防撞结构在极限情况下依然能够保持稳定。

在实际工程中，跨海大桥桥墩的防撞结构极限强度分析需要充分考虑海洋环境、波浪特性、桥墩结构以及防撞结构本身的特点，从而确保桥墩在波浪作用下能够稳定可靠地工作。

还需要不断改进和完善分析方法，结合实际工程经验，为跨海大桥的安全运行提供可靠的保障。

海冰与波流联合作用下深水基础桥梁动力反应分析

海冰与波流联合作用下深水基础桥梁动力反应分析吴甜宇;邱文亮;胡哈斯【摘要】渤海域深水基础桥梁在波流作用下会遭到海冰作用,研究海冰与波流联合作用对深水桥梁动力响应的影响具有重要意义.基于Matlock冰激振动模型,考虑海冰与桥梁结构的相互作用,利用Morison方程计算深水桩基所受波流力,建立海冰与波流联合作用下深水桥梁动力响应分析方法,进而对深水桥梁分别进行海冰与波流单独及联合作用下的动力响应研究.结果表明,海冰相比波流而言对桥梁结构的动力响应影响较大,其中海冰作用下的桩基峰值位移比波流作用下大1.14倍;海冰与波流联合作用下的动力响应较仅考虑海冰或波流单独作用而言明显增大,其中联合作用下的桩基峰值位移比海冰单独作用下大45％.由此得出结论:渤海寒区海域深水桥梁动力响应分析应合理考虑海冰与波流的联合作用.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2018(042)006【总页数】7页(P930-936)【关键词】深水桥梁;海冰作用;波流作用;动力响应【作者】吴甜宇;邱文亮;胡哈斯【作者单位】大连理工大学土木工程学院大连 116024;大连理工大学土木工程学院大连 116024;大连理工大学土木工程学院大连 116024【正文语种】中文【中图分类】U4410 引言寒区海域中海冰与桥梁结构的相互作用会导致冰激结构振动的产生[1].在风、波浪及海流等原动力的作用下会驱动冰排以流冰的形式持续不断地对结构进行作用，冰激结构振动不但会导致结构的疲劳破坏，有时甚至会发生共振反应，这对桥梁结构的安全而言具有极大的威胁[2].然而，渤海显著区别于我国其他海域的建桥条件是冰情严重，我国已建成跨海桥梁的设计均不受冰荷载控制，渤海域桥梁的抗冰设计没有成熟的经验可供借鉴，因此，渤海寒区海域中桥梁结构的抗冰研究具有十分重要的工程价值.海冰与结构相互作用的力学机制存在两种代表性的振动理论：强迫振动理论和自激振动理论.Matlock等[3]依据强迫振动理论，首次提出了离散冰力的Matlock冰激振动模型，该模型能够有效的反应冰与结构相互作用的基本现象.Yue等[4]通过渤海平台冰激振动的现场测量，得到了动冰荷载锯齿状模型函数，该冰力函数与Matlock冰激振动模型具备较强的一致性.Toyama等[5]在模型实验中发现，结构发生自激振动是由于结构在振动过程中冰力提供负阻尼效应引起的，提出了结构振动频率与结构自激振动频率一致的看法.寒区海域中深水桥梁结构不可避免的会遭到波流的作用，波流力对桥梁结构的动力作用也是不可忽视的环境荷载[6-7].目前波流力的计算方法主要有针对大直径柱体的绕射波流理论[8]和小直径柱体的Morison方程[9].对于小直径柱体而言，可忽略绕射现象，此时应采用微幅波绕流理论求解结构物的波流力.由于跨海桥梁结构在水中遭受冰激振动的作用，故波流的影响则是另一个重要的因素.目前，针对波流与海冰联合作用下桥梁结构的动力响应研究比较缺乏.本文利用强迫振动理论的Matlock冰激振动模型考虑冰与结构相互作用，采用微幅波理论的Morison方程计算波流力，提出一种基于Matlock冰激振动模型与Morison波流方程的理论模型.通过建立海冰与波流联合作用下深水桥梁动力响应分析方法，进而对深水桥梁分别进行海冰与波流单独及联合作用下的动力响应研究，分析海冰与波流作用对深水桥梁动力响应的影响程度.1 海冰与波流联合作用下桥梁动力分析方法利用Matlock冰激振动模型考虑海冰与桥梁结构的相互作用，利用Morison方程计算深水桩基波流力，建立海冰与波流联合作用下的深水桥梁动力响应分析方法. 1.1 Matlock冰激振动模型Matlock冰激振动模型是基于强迫振动理论并根据变形条件建立的冰与结构相互作用的计算模型，见图1.结构以弹簧-质量系统代表，而冰排则以竖直杆(离散冰力)与底座为刚性的滑车代替.滑车上设置一系列等距离布置的竖直杆，当第一个竖直杆与结构接触后，便进入加载阶段；加载阶段结束后，竖直杆破碎，此时没有力与结构相互传递；第一个周期结束后，第二个竖直杆开始与结构相接触，与此同时第二个加载周期开始.这种重复进行的加载进程，使得冰荷载为一周期性函数.图1 Matlock冰激振动模型冰力函数是分析冰激振动问题的关键因素，但冰激振动问题的困难就在于实际冰的破坏机理是一个复杂的非线性进程.尽管各种模型采用的机理不尽相同，但冰力函数可以近似的被定义为锯齿状周期性函数.段忠东等[10]提出了渤海域海洋平台结构强迫振动冰荷载模型，见图2，其锯齿状动冰荷载函数为式中：Fs为静冰荷载；T为冰的破碎周期，n=0,1,2,….由图2可知，时间τ和T分别与Matlock模型中的δ和P相对应，文献[10]的冰力函数与Matlock模型具有高度的一致性.图2 动冰荷载模型1.2 Morison波流方程跨海桥梁所处的海洋环境往往存在较大的波浪与海流，波流力也逐渐成为了桥梁设计的控制因素之一.目前，深水桥梁结构所受波流力根据尺寸的差异而采用不同的计算方法[11]，当D/L>0.2时波流遇到结构物时绕射现象会产生，此时应用绕射理论考虑波流力，当D/L≤0.2时由于结构物对波流场的影响较小，可直接利用Morison方程进行波流力的计算，见图3.图3 小直径柱体示意图对于D/L≤0.2的小直径柱体而言，波流力应采用微幅波绕流理论求解结构物的波流力.Morison认为在小直径柱体上沿任意高度位置的水平波力应该包含两个分量[13-14]：①由于水质点运动产生的水平加速度所引起的惯性力PI；②由于水质点运动产生的水平速度所引起的拖曳力PD.根据Morison方程可知，当波流力作用于单个柱体，柱高dz上的惯性力与拖曳力可以分别写为(2)(3)式中：Cm为惯性力系数；CD为拖曳力系数；ρ为水密度；u为水质点的速度；为水质点的加速度；U为水流速度.柱高dz上的水平波流力可以写为(4)Chakrabarti[15]提出上述Morison方程的变换形式可以写为(5)若柱体在水面以下的高度为d，则整个柱体上的总水平波流力可以写为以下积分形式.(6)其中水质点速度u与加速度可以写为(7)(8)式中：k为波数；H为波高；T为波浪周期；θ为相位角.将式(7)～(8)代入式(6)中，可以得到整个柱体上总水平波流力为(9)同理，整个柱体上的总波流力矩为+(10)作用于桩柱上的水平总波流力距海床底部的距离e为因此，利用强迫振动冰荷载模型函数与Morison波流方程得到的动冰力与波流力代入桥梁整体结构的动力方程中，得到此时便可进行海冰与波流联合作用下寒区海域深水桥梁结构的动力响应分析.2 桥梁结构简介及计算模型的建立2.1 桥梁结构简介拟建的秦大跨海通道工程跨越渤海，连接辽宁省大连市与河北省秦皇岛市，全长约162 km.跨海部分均采用桥梁工程，海上工程长约144 km.由于桥址所在海域多为20～30 m的深水区域，故采用高桩承台群桩基础结构形式.跨海沿线桥梁工程中，深水区非通航孔桥梁采用120 m等跨等截面钢箱梁连续梁桥，总长度为139.2 km，约占海上工程总长度的96%.因此，本文将针对深水区非通航孔桥梁工程开展抗冰研究.深水区非通航孔桥梁均采用跨径为120 m的连续钢箱梁桥，五跨一联，即标准联跨布置为5×120 m=600 m，见图4.主梁采用单箱双室钢箱梁，宽度33.1 m、高4.5 m.桥墩采用截面为10 m×4 m的“Y”型薄壁空心墩，壁厚0.8 m，总高60 m.承台平面尺寸为21 m×13 m，考虑到本区域桥梁海冰撞击的问题，承台两端采用半圆的形式.桩基础采用直径为1.5 m、壁厚2.5 cm的钢管打入桩形式，入土深度80 m，钢管打入桩位布置，见图5.承台采用钢套箱围水，现浇施工，主梁和桥墩采用预制吊装施工工艺.图4 桥梁布置图图5 钢管打入桩位布置图2.2 计算模型主梁采用单箱双室钢箱梁截面，宽度33.1 m、梁高4.5 m，材料选用Q345钢，弹性模量为206 GPa.桥墩采用空心截面，高60 m，承台采用矩形截面，高4 m，材料均选用C40混凝土，弹性模量为3.25×104 MPa.打入桩基础采用钢管桩形式，长110 m，其中海床以下80 m，材料选用Q345钢，弹性模量为206 GPa，容许应力为200 MPa.桥梁结构模型均采用三维梁单元模拟，3#墩(制动墩)与上部箱梁采用全约束形式，1#，2#，4#，5#，6#墩和上部箱梁结构之间采用约束方程建立相应节点间竖向和横向约束，各桥墩与承台之间、桩基与承台之间均采用刚性连接，桩底固结.桥梁下部结构为高桩承台群桩基础形式，设计时承台底面以下位于水中，桩基处于深水当中，其中考虑所有桩基水深均为30 m.根据地质调查结果可知，桥址区域地质情况多为软弱砂质，考虑桩侧土的实际情况，采用p-y曲线确定桩侧水平弹簧的刚度，充分考虑土抗力的非线性特性，并在桩基相应节点上施加土弹簧模拟桩侧土对桩的约束作用.利用子空间迭代法计算结构的自振特性，结构阻尼采用振型阻尼模型，各阶模态振型阻尼比均为0.05.冰荷载激励输入至承台中部节点处，采用振型叠加法计算结构的动力反应.3 深水桥梁的动力响应分析按三种工况对桥梁结构开展动力响应研究：①海冰单独作用；②波流单独作用；③海冰与波流联合作用.3.1 海冰作用下桥梁动力响应分析参考Q/HSn 3000-2002《中国海海冰条件及应用规定》，可知拟建桥址所在海域重现期为100年的推荐设计单层冰冰厚为40 cm；海冰表层温度在-2.0～-3.5 ℃之间，最低温度为-4.4 ℃；海冰漂移平均速度为0.5 m/s，最大冰速为1 m/s.动冰荷载极值利用我国JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》中给出的静冰荷载公式计算.其中，纵桥向承台迎冰面宽度为21 m，计算得到的极值冰荷载为8 165kN；横桥向承台迎冰面宽度为13 m，计算得到的极值冰荷载为5 055 kN.利用Matlock冰激振动模型，采用文献[10]的冰力模型函数.通过计算可知，冰的破碎长度为2.92 m，破碎周期为2.92 s，并取60 s作为计算冰荷载时长，见图6.将动冰荷载分别沿纵桥向与横桥向进行激励，对桥梁进行冰荷载作用下的动力响应分析.图6 动冰荷载时程为了分析海冰作用对桥梁结构动力响应的影响，分别提取了1#与3#墩及其桩基的位移与应力响应结果，见表1.由表1可知，无论海冰沿横桥向或纵桥向作用，3#墩(制动墩)及其桩基的动力响应均比1#墩大.海冰沿横桥向作用下3#墩桩基的峰值位移为9.19 cm，相比1#墩桩基峰值位移8.73 cm，增幅为5.3%；3#墩桩基的峰值应力达到了167.1 MPa，比1#桩基的峰值应力大2.8%.相比海冰纵桥向作用，海冰沿横桥向作用下的结构动力响应较大，这是由于桥梁整体的横向刚度较纵向偏低导致的.对于1#墩而言，海冰沿纵桥向作用下的峰值位移和峰值应力分别为4.98 cm和3.52 MPa；海冰沿横桥向作用下的峰值位移和峰值应力分别为7.04 cm和3.89 MPa.海冰横向作用下1#墩的峰值位移、峰值应力分别比纵向作用下大41.3%，10.5%.图7为海冰横向与纵向作用下，1#墩桩基和3#墩桩基的位移时程.由图7可知，海冰横向作用时桩基位移响应明显大于海冰纵向作用时的位移响应.对于1#墩桩基而言，海冰纵向作用时的峰值位移和峰值应力分别为5.71 cm和115.2 MPa；海冰横向作用时的峰值位移和峰值应力分别为8.73 cm和162.6 MPa.海冰横向作用下1#墩桩基的峰值位移、峰值应力分别比纵向作用下大52.8%，41.1%.同样，海冰横向作用下3#墩桩基的峰值位移、峰值应力分别比纵向作用下大47.1%，20.5%.表1 海冰作用下桥梁动力响应工况1#墩位移/cm应力/MPa3#墩位移/cm应力/MPa1#墩桩基位移/cm应力/MPa3#墩桩基位移/cm应力/MPa边跨中点应力/MPa中跨中点应力/MPa海冰横向作用7.043.897.423.998.73162.69.19167.170.7159.32海冰纵向作用4.983.525.243.71 5.71115.26.25138.669.19 56.66图7 位移时程3.2 波流作用下桥梁动力响应分析根据桥址水域的常年水文观测资料，桥梁所在处的波浪要素为：波高H1/10=4.1 m，周期T=7.2 s(重现期100年)，由式(12)可以得到波数k=0.077 5，波长L=67.5 m.(12)考虑水流以U=1 m/s的速度与波浪同向沿横桥向入射，对桥梁进行波流作用下的动力响应分析.由于桩基础均采用等截面的钢管打入桩形式，各桩基的D/L=1.5/67.5=0.02<0.2，故采用微幅波理论Morison方程考虑波流力作用，其中D为桩基础直径即迎水面宽度.由于本文中斜桩倾角较小，故不考虑斜桩的影响，且波面高程相对于水深而言较小可以忽略不计.由于桩中心距与桩直径的比值即l/D=4/1.5=2.68<4，根据《港口与航道水文规范》的规定，需考虑群桩效应.综上，通过计算可知作用于单个柱体高度上任何相位时的正向水平总波流力及力矩，并可求出波流力的作用点位置.其中：PI为惯性力；PD为拖曳力；P为横向总水平波流力.选取波流作用时间60 s作为计算荷载时长，单桩上的波流力时程，见图8. 图8 波流力时程为了分析波流力对桥梁结构动力响应的影响，对比了波流沿纵、横桥向作用时桥梁结构的动力响应结果，见表2.由表2可知，与冰荷载作用下结构的动力响应相似，波流沿横桥向作用相比沿纵桥向作用对桥梁结构动力响应的影响较大.对比表1～2可知，仅波流单独作用下桥墩的动力响应比海冰单独作用下桥墩的动力响应偏小.图9为波流沿横向与纵向作用下，1#墩桩基和3#墩桩基的相对位移时程.由图9可知，波流横向作用时桩基位移响应明显大于波流纵向作用时的位移响应.对于1#墩桩基而言，波流纵向作用时的峰值位移和峰值应力分别为2.41 cm和79.78 MPa；波流横向作用时的峰值位移和峰值应力分别为3.95 cm和96.31 MPa.可见，波流横向作用下1#墩桩基的峰值位移、峰值应力分别比纵向作用下大63.9%，20.7%.同样，波流横向作用下3#墩桩基的峰值位移、峰值应力分别比纵向作用下大63.1%，22.2%.对比图7a)与图9a)可知，波流作用下1#墩桩基的位移响应比海冰作用下的位移响应小，进一步说明海冰对桥梁结构动力响应的影响比波流作用的影响大.表2 波流作用下桥梁动力响应工况1#墩位移/cm应力/MPa3#墩位移/cm应力/MPa1#墩桩基位移/cm应力/MPa3#墩桩基位移/cm应力/MPa边跨中点应力/MPa中跨中点应力/MPa波流横向作用3.553.073.843.293.9596.314.2998.5449.43 46.62 波流纵向作用2.152.832.343.152.4179.782.6380.6347.36 42.10图9 位移时程寒区深水桥梁在波流的作用下同时会受到海冰的作用，考虑海冰与波流联合作用对桥梁结构进行动力响应分析.海冰与波流联合作用下桥梁结构的动力响应见表3. 由表1～3可知，在波流单独作用下3#墩的峰值位移和峰值应力分别为3.84 cm 和3.29 MPa；海冰作用下3#墩的峰值位移和峰值应力分别为7.42 cm和3.99 MPa；而考虑波流和海冰联合作用时3#墩的峰值位移和峰值应力分别为10.22 cm和4.69 MPa，说明波流和海冰联合作用下桥梁结构动力响应较仅考虑海冰或波流作用而言明显增大，但并不是海冰与波流单独作用下动力响应峰值的直接累加，这是由于在单独作用下结构的响应峰值并不一定同时发生.由表1～3可知，对于桩基动力响应而言，仅波流作用时3#墩桩基的峰值位移和峰值应力分别为4.29 cm和98.54 MPa，海冰作用下3#墩桩基的峰值位移和峰值应力分别为9.19 cm和167.1 MPa，而考虑波流和海冰联合作用时3#墩桩基的峰值位移和峰值应力分别为13.31 cm和186.1 MPa.由此可知，在联合作用下钢管桩的峰值应力可达186.1 MPa，长时间作用下的疲劳破坏问题不容忽视；波流作用对桥梁结构的动力响应影响虽然没有海冰作用的影响大，但在桥梁抗冰研究中波流力确是不可忽略的环境荷载，应当充分考虑海冰与波流的联合作用.表3 海冰与波流联合作用下桥梁动力响应工况1#墩位移/cm应力/MPa3#墩位移/cm应力/MPa1#墩桩基位移/cm应力/MPa3#墩桩基位移/cm应力/MPa边跨中点应力/MPa中跨中点应力/MPa联合横向作用9.773.9310.224.6912.47181.713.31186.183.1466.62联合纵向作用5.233.795.774.135.93126.77.22153.276.87 65.094 结论1) 海冰与波流沿桥梁不同方向作用时，桥梁结构的动力响应有所不同，沿横桥向作用下的结构响应较大.2) 尽管海冰单独作用对桥梁结构动力响应的影响比波流单独作用的影响大，但海冰与波流联合作用下桥梁结构的动力响应比单独作用明显增大，其中，联合作用下的桥墩峰值位移比海冰单独作用下高出39%.因此，在深水桥梁的抗冰研究中，应当充分考虑波流作用的影响.3) 海冰与波流联合作用下，钢管桩峰值应力达186 MPa，长时间的高应力幅下，可能会导致钢管打入桩的疲劳破坏.因此，冰荷载作用下，桥梁结构的疲劳问题也应引起高度重视.由于渤海寒区海域深水桥梁的抗冰研究目前还处于前期阶段，利用已有的冰力模型进行分析具有一定的局限性.在下一步的工作中，将深入研究渤海域桥梁结构的典型冰荷载、冰激桥梁结构的振动机理，并应充分考虑荷载的随机性.参考文献【相关文献】[1]YUE Q, BI X. Ice-induced jacket structure vibrations in Bohai Sea [J]. Journal of Cold Regions Engineering, 2000,14(2):81-92.[2]HUANG G, LIU P. A dynamic model for ice-induced vibration of structures[C]. Omae,2009(3):685-691.[3]MATLOCK H, DAWKINS W, PANAK J. A modal for the prediction of ice-structure interaction [J]. Philosophy East & West, 1969,22(2):345-352.[4]YUE Q, BI X. Ice-induced jacket structure vibrations in Bohai sea [J]. Journal of Cold Regions Engineering, 2000,14(2):81-92.[5]TOYAMA Y, SENSU T. Model tests on ice-induced self-excited vibration of cylindrical structures [C].VTT Symposium, 1983(4):834-844.[6]房忱,李永乐,秦顺全,等.中、美、英规范关于跨海桥梁桩基波浪力的对比[J].桥梁建设,2016,46(6):94-99.[7]黄雯,冯谊武,张海龙.波浪作用下的群桩受力及优化布置[J].桥梁建设,2016,46(3):51-56.[8]YILMAZ O, INCECIK A. Analytical solutions of the diffraction problem of a group of truncated vertical cylinders [J]. Ocean Engineering, 1998,25(6):385-394.[9]李玉成.波浪对海上建筑物的作用[M].北京：海洋出版社,1990.[10]段忠东,欧进萍,周道成,等.导管架海洋平台结构冰致强迫振动分析[J].哈尔滨工业大学学报,2009(10):1-6.[11]赖伟.地震和波浪作用下深水桥梁的动力响应研究[D].上海：同济大学,2004.。

船行波激励下深水桥墩的动力响应分析

桥梁建设2018年第48卷第3期（总第250期）Bridge Construction , Vol . 48, No . 3, 2018 (Totally No . 250)85文章编号：1003 — 4722(2018)03 — 0085 — 05船行波激励下深水桥墩的动力响应分析刘政伟，夏齐勇(湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北武汉430051)摘要：土凉大桥主桥为（75 + 4X 130 + 75) m 预应力混凝土刚构一连续梁组合体系桥梁。

该桥施工过程中，船行波引起桥墩较大晃动，施工被迫停止。

为解决这一问题，根据库斯科公式、开尔文理论及《港口与航道水文规范》计算船行波荷载，以8号墩为例采用A N SYS 软件建立桥墩有限元模型，分析船行波作用下桥墩的动力响应。

结果表明：作用在桥墩上的船行波荷载为沿结构淹没深度变化的非线性分布荷载，随水深的增加迅速降低；船速20km /h 时，墩顶位移和加速度响应最大；为避免桥墩出现较大晃动，建议客船行至桥墩附近时将船速减小至15 km /h 以下通过桥墩。

关键词：深水桥墩；船行波；皮浪荷载；动力响应；船速；有限元法中图分类号：U 448.25;U 443.38文献标志码：ADynamic Response Analysis of Bridge Pier in DeepWater Under Excitation of Ship-Induced WavesL I U Z h e n g -w e i ,X I A Qi-y on g(H ubti Provincial Transport Planning and Design Institute Co ., Ltd ., Wuhan 430051, China)Abstra c t ： The main bridge of the Tuliang Bridge is a prestressed concrete continuous girder and rigid-frame combined structural system bridge with span arrangement (75 + 4X 130 + 75) m . During the construction of the b ridge , the ship-induced waves caused the oscillation of the piers ,and the construction was forced to stop . In order to solve this problem , the ship-induced wave load was calculated according to Cuzco formula , Kelvin theory and C o d e o f H y d r o l o g y f o r P o r t a n dW a t e r w a y . The finite element model of the pier No . 8 was established by thethe dynamic response of the pier under the action of ship--nduced waves was analyzed . The results show that the ship--nduced wave load acting on the pier s nonlinear distribution along the sub merged depth of the structure and decreases rapidly with the increase of the water depth . When the speed of ship s 20 km /h , the responses of displacement and acceleration at the top of the pier reach the maximum . To avoid the oscillation of the pier , the speed of passenger 15 km/h near the pier .K e y words ： bridge p ier in deep water ； ship-induced wave ； wave load ； dynamic response ；speed of ship ； finite 1概述土凉大桥位于湖北丹江口水库库区，全长833m ，其立面布置如图1所示。

波流作用对深水桥梁地震响应的影响分析

世界桥梁2018年第46卷第4期（总第194期）73波流作用对深水桥梁地震响应的影响分析吴安杰#,杨万理2,赵雷2(1.贵州理工学院土木工程学院，贵州贵阳550003; 2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)摘要：为研究波流作用对深水桥梁下部结构地震响应的影响，采用ANSYS-CFX软件建立圆形截面桩一水耦合数值模型，计算波流与地震作用下桩的位移和应力响应，分析不同波流（相对水深比、相对流速比、波陡、周期、方向角和相位角）作用下的地震响应。

结果表明：随着水深的增加，波流对地震响应的影响增大；相比弱流强波，强流弱波对地震响应影响要显著&皮高对地震响应影响与波高大小呈线性关系&皮流荷载并不总是起到加大地震响应的作用，波流与地震作用方向角和时间相位差会随机削弱或加强地震响应&皮流对地震响应影响可达56.5B,在跨海深水桥梁抗震分析时波流作用的影响不容忽视6个因素中，周期影响最显著，准确地概化波浪有效周期对结构设计安全至关重要。

关键词：深水桥梁！庄基；波流；数值模型；地震响应；有限元法中图分类号：U443.15;U442.59 文献标志码：A文章编号：1671 —7767(2018)04 —0073 —051引言近年来，在我国沿海地带（位于环太平洋地震带)修建了许多跨海深水桥梁，这些处于海洋中的桥梁基础受到多种环境荷载作用，如地震的扰动、海浪的拍打、海流的冲击。

对跨海深水桥梁进行抗震分析时，必须考虑波流作用与地震作用的组合影响。

研究表明，静水中的桥梁结构在地震激励下发生振动时，会带动周围流体振动，形成一个地震振荡流场，从而产生作用于结构上的附加动水力;地震振荡流场与纯波流场形成一个新的共存场，在地震动水力和波流力叠加及相互影响下，桥梁结构受力十分复杂9 ;参考文献[10]、[11]的研究表明，因波浪和地震之间存在相互影响，联合作用时的结构响应值不是两者单独作用下响应值的简单叠加。

波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构极限强度分析

波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构极限强度分析【摘要】本文针对波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构的极限强度进行分析。

引言部分介绍研究的背景，明确研究目的和意义。

正文部分分析波浪载荷对桥墩的影响、防撞结构设计原理、数值模拟方法，通过结果分析提出结构改进建议。

结论部分总结研究成果，展望未来研究方向，得出结论。

通过本研究可以更好地了解波浪载荷对跨海大桥桥墩的影响，为防撞结构设计提供参考，并为未来跨海大桥设计提供有益建议。

【关键词】波浪载荷、跨海大桥桥墩、防撞结构、极限强度分析、引言、背景介绍、研究目的、研究意义、正文、波浪载荷对桥墩的影响、防撞结构设计原理、数值模拟方法、结果分析、结构改进建议、结论、总结、展望。

1. 引言1.1 背景介绍海洋工程领域中，跨海大桥是一种重要的基础设施，其承载着国家交通运输和经济发展的重要任务。

跨海大桥在受到波浪载荷作用下，桥墩容易受到冲击和震动，严重影响桥梁的安全性和稳定性。

对于波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构的极限强度进行分析和研究具有重要的实用意义和理论价值。

随着我国海洋经济的快速发展，跨海大桥的建设日益增多。

由于海洋环境的复杂性和波浪力的瞬时性，跨海大桥桥墩常常面临着撞击和破坏的风险。

研究波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构的极限强度，对于提高桥梁的抗风和抗击撞能力具有重要的现实意义。

本文旨在通过对波浪载荷对桥墩的影响、防撞结构设计原理和数值模拟方法的研究，探讨跨海大桥桥墩在波浪作用下的极限强度，为相关工程设计和改进提供参考依据。

1.2 研究目的研究目的是为了深入探讨波浪载荷作用下跨海大桥桥墩防撞结构的极限强度分析。

通过研究桥墩在波浪作用下的受力情况，我们可以更好地了解桥墩结构对波浪载荷的承载能力，从而提出更科学、有效的防撞结构设计方案。

对于跨海大桥这种重要基础设施的安全性和稳定性进行研究，有助于提高桥梁的抗灾能力，保障桥梁的运行安全。

通过本研究还可以为未来类似工程项目提供经验和技术支持，为桥梁工程领域的发展贡献力量。

考虑波浪作用下的深水桥墩地震响应分析

考虑波浪作用下的深水桥墩地震响应分析林曾;袁万城【摘要】Earthquake and wave action may be applied to bridges crossing sea in deep water at the same time, it is very important to analyze the dynamic responses of bridges in deep water under earthquake and wave action, besides, this problem is not well solved. Taking a common bridge pier in deep water as an example, the wave action effect on the seismic response of this pier is investigated. The analysis method of the seismic response of this pier considering wave action is established. The dynamic response analyses of this pier under 3 working conditions that contain the earthquake action only, wave action only and earthquake action considering wave action are then conducted. The major conclusions are that, the dynamic responses of bridge pier in deep water are increased because of earthquake induced hydrodynamic pressure,and the influence of hydrodynamic pressure is related to the spectral characteristics of earthquake waves. Compared to the seismic response value ,the wave action response value of this pier is very small. But the seismic response difference between considering wave action and not considering is very big. Seismic responses of bridge in deep water considering wave action can not be obtained by combining seismic response and wave action dynamic response by superposition.%跨海深水桥梁会受到地震和波浪的共同作用，研究地震和波浪共同作用下的深水桥梁动力响应问题具有非常重要的意义，并且该问题一直没有得到很好解决。

规则波的波浪参数对深水桥墩波浪力的影响分析

规则波的波浪参数对深水桥墩波浪力的影响分析左生荣;谭博夫;杨吉新【摘要】针对波浪对深水桥墩的作用，不同波浪参数的形式对深水桥墩波浪力的影响大小和程度各不相同，这就需要对深水桥墩在设计和施工阶段需要采取有效的应对方法。

以 CFD 数值计算的方法为基础，对大直径圆形的深水桥墩在不同波长和波高的三维波浪参数条件下受到的波浪力分别进行了计算，并得到了各自的大小，数值计算结果表明波长和波高的规则的增长，波浪力也基本上呈规则的变化，并且波浪力在墩柱自由水面下垂直深度方向的分布上是逐步减小的，到达某一深度减小为零，同时波长和波高的增加都会扩大波浪力在墩柱上的影响范围。

%In view of the waves action with deep water piers,according to different wave parame-ters,the wave force influence is not identical,this problem needs take effective methods to solve in design and construction stage.In this paper,based on the method of CFD numerical simulation,the wave force of deep water piers under the different wave parameters condition is calculated respectively,and the value of the respective wave force is calculated.The numerical calculation results show that the wave force pres-ents basically a rule change with the rules growth of wave length and wave height.Alone the free surface to the bottom of the pier,the wave force is gradually decreasing.Until reached to a certain depth,the wave force decreases to zero.At the same time,the wave force will expand the scopeon the pier increasing the wave length and wave height.【期刊名称】《公路工程》【年(卷),期】2016(041)004【总页数】5页(P28-31,41)【关键词】规则波;波浪参数;大尺寸桥墩;波浪力【作者】左生荣;谭博夫;杨吉新【作者单位】湖北省路桥集团有限公司，湖北武汉 430056;湖北省路桥集团有限公司，湖北武汉 430056;武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063【正文语种】中文【中图分类】U443.22;TV312随着国内跨海大桥的建设迅猛发展，对于桥梁水下结构的桥墩与流体的流固耦合研究取得了长足的进展，目前使用较多的是CFD数值计算方法[1]。

深水桥墩在地震作用下的动力响应分析

深水桥墩在地震作用下的动力响应分析左生荣;杨吉新;吉小军【摘要】针对在地震作用下处于深水中的桥墩受到较大的的动力影响,导致结构产生较大的变形和应力,对整个桥梁的安全性造成严重的破坏.重点分析了以有限元理论为基础的数值分析法,并结合某桥的桥墩实例,利用ANSYS有限元软件建立模型,输入调整后的Taft地震波,采用时程分析方法对其进行地震反应分析.计算数据表明:有水工况下墩顶的位移和桩底应力较无水时均有明显的增加,最大位移和最大应力也发生在考虑水的作用下的工况下.在地震作用的作用下,深水桥墩的内力和位移时程图的衰减速度也要慢于无水时的工况,水对桥墩的动力响应起着不良作用.%Under the action of earthquake,piers are subjected to large dynamic effect in deep water,this caused the structure to produce large deformations and stress and the security of the entire bridge can be caused severe damage.This paper describes some calculation methods of dynamic hydraulic on underwater piers,focusing on analysis of the finite element numerical analysis method based on the theory,and emphatically analyzes numerical analysis method based on the theory of finite element.We combine a pier for example,establishing model by finite element software ANSYS,entering the adjusted Taft seismicwaves,analyzing seismic response with the method of time history analysis.The calculation results show that:under the conditions of water,the pier top displacement and pile bottom stress are bigger than the anhydrous condition,the maximum displacement and maximum stress occur also in the condition of water.Under the action of water,thedegenerative speed about the time history diagram of internal force and displacement is slower than the anhydrous condition.At the time of seismic time-history analysis on piers,water plays a negative role on dynamic response of the structures.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2013(037)004【总页数】4页(P713-715,719)【关键词】深水桥墩;地震反应;动力响应;数值分析法【作者】左生荣;杨吉新;吉小军【作者单位】武汉理工大学交通学院武汉430063;武汉理工大学交通学院武汉430063;安徽省交通建设工程质量监督局合肥230051【正文语种】中文【中图分类】U443.22;TV3120 引言随着我国交通事业的发展，越来越多的跨江、跨海大桥都已建设完成或正在紧张的施工中.这类桥梁的特点是：跨度大、结构复杂并且施工难度大等，此外，这些桥梁的桥墩位于深水之中［1］.由于该类桥墩处于深水之中，所受外部环境比较复杂，国内外学者对水中结构物进行了大量的理论性研究工作.在地震作用下，对动水力的研究首先是 Westergaard［2］于1933年提出.该理论基于坝体在不可压缩流体中做刚体运动的假定，给出了水平地震运动下垂直坝面上动水力的计算公式.20世纪60年代，我国的一些学者就对梁式结构和液体的耦联振动进行了不少研究.赖伟［3］利用解析法和基于附加质量的Morison方程对地震作用下动水对桥墩的动力反应的影响进行了研究，宋波等［4－5］通过试验研究，探讨了地震作用下动水力对大跨度深水桥梁动力响应的影响.桥梁结构在水中的动力响应与在空气中有很大不同［6－7］，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，流体和结构的相互作用形成流体与固体耦合的振动问题，称为流固耦合问题.由于流固耦合问题的复杂性，尽管可以假设流体是无粘性的，在大多数情况下仍不能得到真正的解析解.因此，解决流固耦合问题对深水桥梁的动力分析十分重要.1 数值分析法简介数值分析法［8］是先求得地震动水压力的解析解，再采用有限元法建立桥墩结构模型，进而对桥墩进行动水压力作用下的地震响应分析，该方法可以方便的考虑上部结构对桥墩的影响，同时仅对桥墩结构建立数值模型其计算效率高，并且可以较为方便的考虑材料非线性、土－结构相互作用等因素，在现有深水桥墩地震响应分析中主要采用该法.所以为确保深水桥梁抗震安全并为之设计提供理论依据，应基于数值分析法建立实用、有效的水－桥墩动力相互作用的分析方法.由于桥墩震害往往是引起桥梁倒塌并难以修复的主要原因，所以有必要进一步分析地震动水压力对深水桥墩动力响应的影响.本文采用的数值分析法是指利用ANSYS有限元实体建模的方式，同样将水假设为理想流体，并且认为对桥墩作用的水为无限水域，但通过反复试算及实验证明，当对桥墩作用的水域超过一定限值时，超出的水域对结构的影响微乎其微.因此在进行数值计算时，将假定结构周围只有有限范围的流体，这一假定的结果与假定流体为无限边界流体的结果的误差小于1%.在计算中，水域的范围取桥墩半径的5倍左右，同时流体与固体接触的部分采用流固耦合标签FSI进行标记.结构单元采用SOLID45单元进行离散，流体单元则采用FLUID30单元进行模拟.2 数值分析法分析实例以某梁桥的一个桥墩为例，为简化计算，在计算中采用了单墩力学模型计算，见图1.上部梁结构只计质量影响，其中基础采用单桩基础，桩的高度为18m，入土深度为16m，墩高度为10m，计算水深为9m，经计算上部结构简化为8 576t的质量块，作用于桥墩顶处，建立如图2所示的有限元模型.该桥处于II类场地，7级烈度标准.现计算该桥的进行动力特性计算及地震反应的时程分析.图1 模型示意图（尺寸单位：cm）图2 ANSYS有限元模型2.1 地震波的选取和输入地震波具有强烈的随机性.经观测，即使同次地震在同一场地上得到的地震记录也不尽相同.根据该桥的地质资料，参照《公路工程抗震设计规范》（JTJ004－89），按II类场地土计算，基本烈度为8度的标准，在计算中选取了直接采用既有强震记录波Taft波，本文以场地中的3条地震波作比较，最终选定结构反应最大的1条地震波作为最终采用的输入地震波.从Taft波的记录中选取了有代表性的16s，记录信号是水平加速度，时间间隔0.02s，一共800个值.根据地震局批准的烈度表，基本烈度为7，8，9度时，地面运动的最大水平加速度αv分别为0.125，0.25，0.5 g.而Taft波记录的最大竖向加速度αvmax为371.863cm／s2.因此，计算中必须将实际地震记录的峰值折算成所需的基本烈度.取7级地震，则对于 Taft记录αv／αvmax＝0.125／3.719＝0.329.该记录应该乘以0.329后使用，调幅后的地震的加速度时程曲线如图3.图3 调整后的Taft地震动加速度时程曲线2.2 地震时程分析结果根据已建立起来的有限元模型，进行了地震时程分析计算，分别考虑了两种工况进行计算，工况一表示在无水条件下的地震时程计算，工况二表示在有水条件下的地震时程计算.对于桥墩而言，地震作用最明显的效果主要体现在桥墩顶部的位移和桩底的应力.因此，在表1和表2列出了这两种工况下各个方向的墩顶位移最大值和桩底应力最大值，图4～图11中显示了这2种工况下墩顶位移时程图和桩底应力时程图.表1 墩顶位移最大值 cm?表2 桩底应力最大值 Pa?图4 2种工况下X方向墩顶位移时程图比较图5 2种工况下Y方向墩顶位移时程图比较图6 2种工况下Z方向墩顶位移时程图比较图7 X，Y和Z方向墩顶位移时程图比较（工况一）图8 2种工况下X方向桩底应力时程图比较图9 2种工况下Y方向桩底应力时程图比较图10 2种工况下Z方向桩底应力时程图比较图11 X，Y和Z方向桩底应力时程图比较（工况一）2.3 结果分析从表1和表2及图4～11中可以看出，有水工况下墩顶的位移和桩底应力都比无水时有明显的增加.同时，考虑水的作用工况下的位移和应力值在大多数时间内都大于不考虑水的工况下的数值，最大位移和最大应力也发生在考虑水的作用下的工况下.并且，在水的作用下，内力和位移时程图的衰减速度也要慢于无水时的工况.也就是说，在对桥墩进行地震时程分析时，水对结构的动力响应起着不良的作用.在地震作用下，墩－水振动使桥梁的内力、位移均有大幅度的增加，这表明墩水耦合振动是深水桥梁必须考虑的因素，在实际工程计算中，忽略此因素的影响必将导致偏于不安全的计算结果.3 结论1）本文中数值计算法是利用ANSYS有限元分析软件对某一桥墩在深水中动力特性及动力响应进行详细计算分析，结果显示：桥墩在有水和无水的情况下的受力和应变有很大的不同.2）计算结果表明在有水工况下墩顶的位移和桩底应力较无水时均有明显的增加，并且，在水的作用下，内力和位移时程图的衰减速度也要慢于无水时的工况.3）在地震作用下，墩－水振动使桥梁的内力、位移均有大幅度的增加，水对结构的动力响应起着不良的作用.因此，墩水耦合振动是深水桥梁必须考虑的因素，在实际工程计算中不可忽略.参考文献［1］高学奎，李辉.近场地震作用下深水桥墩的地震响应分析［J］.工程抗震与加固改造，2006，28（3）：83－87.［2］ WESTERGAARD H M.Water pressure on dams during earthquakes ［J］.TransAm Soc CivEng，1933（98）：418.［3］赖伟，王君杰，胡世德.地震下桥墩动水压力分析［J］.同济大学学报，2004，32（1）：1－5.［4］李悦，宋波.动水对斜拉桥结构动力响应影响研究［J］.土木工程学报，2010，43（12）：94.［5］宋波，张国明，李悦.桥墩与水相互作用的振动台试验研究［J］.北京科技大学学报，2010，32（3）：403.［6］LYSMER J，KULEMEYER R L.Finite dynamic model for infinite media ［J］.J.Eng.Mech.Div.ASCE，1969（6）：759－877.［7］VELETSOS A S，PRASAD A M，HAHN G.Fluidstructure interaction effects for offshore structures［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1988（16）：631－652.［8］戴大农，王勖成，杜庆华.流固耦合系统动力响应的模态分析理论［J］.固体力学学报，1990，11（4）：305－312.。

近场地震作用下深水桥墩的地震响应分析

[文章编号]　100228412(2006)0320083205近场地震作用下深水桥墩的地震响应分析高学奎,朱 ,李　辉(北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044)[摘　要]　近场地震以具有较大的PG V ΠPG A 值及明显的速度脉冲为主要特征,本文分析了不同类型的近场地震对深水桥墩地震响应的影响;采用M oris on 方程的基本理论,将水视为附加质量,利用有限元方法来分析动水压力对深水桥墩地震响应的影响。

通过计算分析得出:具有较大PG V ΠPG A 值的近场地震波会引起桥墩结构较大的地震响应;动水压力对桥墩结构的地震响应有显著的影响,同时近场地震的速度脉冲效应会进一步增大动水压力对深水桥墩地震响应的影响;在矩形深水桥墩设计中,要考虑截面形状效应的影响,选择合适的D ΠB 值。

[关键词]　近场地震;地震响应;附加质量;深水桥墩[中图分类号]　T U31113;U448 [文献标识码]　ASeismic R esponse Analysis of B ridge Pier in Deep W ater Excited by N ear 2fault E arthquakesGao Xue 2kui ,Zhu Xi ,Li Hui (School o f Civil Engineering and Architecture ,Beijing Jiaotong Univer sity ,Beijing 100044,China )Abstract :A near 2fault earthquake usually has the features of larger value of parameter PG V ΠPG A and obvious velocity pulse.The effect of near 2fault earthquakes of the different types on seismic responses of bridge pier in deep water is studied in this paper.With the fam ous M oris on Equation ,the water is considered as the added pseudo mass ,and the finite method is used to analyze the seismic responses of bridge pier.An actual bridge pier is analyzed ,and the results show that ,the near 2fault earthquake that has the larger value of parameter PG V ΠPG A will cause the stronger seismic response ;the effect of hydrodynamic pressure to seismic responses of bridge pier is notable ,and the velocity pulse of near 2fault earthquake will make the effect on seismic responses larger caused by hydrodynamic pressure ;when designing the rectangular pier in deep water ,the section shape effect should be considered and the appropriate value of parameter D ΠB should be secected.K eyw ords :near 2fault earthquake ;seismic response ;added mass ;bridge pier in deep water[收稿日期]　2005208212[项目来源]　国家自然科学基金资助项目(50278002,50578007)。

波浪与地震作用下桥梁下部结构的动态损伤分析

波浪与地震作用下桥梁下部结构的动态损伤分析【摘要】桥梁下部结构不仅会受到波浪作用，同时还需要预防地震作用，因此研究地震和波浪联合作用对桥梁下部结构动力响应的影响具有重要意义。

该文采用Morison方程来研究波浪作用，并利用辐射波浪理论求解桥墩地震动水压力，建立地震和波浪联合作用下的深水桥梁动力响应分析方法。

分析得到，地震动水压力作用增大了桥梁结构的动力响应；波浪沿桥梁不同方向入射时波浪力对桥梁结构的动力响应影响有所不同，相对地震作用而言波浪影响较小；波浪和地震联合作用时桥梁结构的动力响应并不是两者单独作用下动力响应幅值的简单累加。

由此得出结论：深水桥梁动力响应分析应合理考虑地震和波浪作用。

【关键词】桥梁；地震作用；波浪作用一、国内外发展状况随着我国经济建设的迅猛发展，陆岛交通的问题日益显现，桥梁建设也正从跨越江河和内海向跨越外海、海峡发展。

由于跨海大桥的基础是建造在浩瀚大海的海底，施工具有很大的难度。

因此减少桥梁基础的数量，常常是跨海大桥极力追求的。

减少跨海大桥的基础数量，必须要以特大跨度的桥梁上部结构一大跨度桥式的配合和支持。

悬索桥和斜拉桥两种桥式满足以上条件。

这些跨海峡桥梁不但跨径大，而且桥位处水深海洋环境因素复杂。

台风及台风掀起的巨浪破坏力极大。

因此，考虑台风以及台风掀起巨浪这种破坏性环境荷载的实际动力特征、随机性和耦合性，发展波浪作用下结构的随机响应分析方法，对跨海峡桥梁的设计和建造来说有着重要的意义。

二、波浪作用与波长相比尺度较小的细长柱体的波浪力计算，在工程中广泛采用Morison方程。

Morison等人认为，作用于结构上的水平波力FH 包括两个部分：一是波浪水质点运动的水平速度u引起对柱体的水平拖曳力FD，另一是波浪水质点运动的水平ü加速度引起的对柱体的水平惯性力F1。

又认为波浪作用在柱体上的拖曳力的模式与单向定常水流作用在柱体上的拖曳力模式相同。

作用于直立柱体任意高度z处单位高度三、地震动水压力与地震与波浪联合作用地震作用下深水桥墩地震动水压力求解主要利用辐射波浪理论，采用柱坐标系or？兹z，使or？兹在水底，oz轴通过柱体中心并且向上为正。

地震、波浪与水流作用下深水桥梁基础动力响应研究的开题报告

地震、波浪与水流作用下深水桥梁基础动力响应研究的开题报告题目：地震、波浪与水流作用下深水桥梁基础动力响应研究背景概述：随着社会发展，大型海上交通工具的普及和发展，深水桥梁的建设需求也越来越大。

然而，在海底施工的深水桥梁中，地震、波浪和水流等力量成为了桥梁基础动力响应的主要因素。

因此，本研究旨在探讨这三种力量作用下深水桥梁的基础动力响应。

研究目的和方法：本研究的主要目的是通过数值模拟和实验研究的方法，探讨地震、波浪和水流等因素对深水桥梁基础动力响应的影响。

具体研究方法如下：1. 对地震、波浪和水流的基本特性进行分析和研究；2. 设计深水桥梁试验模型并进行实验，记录其基础动力响应；3. 采用ANSYS有限元软件对深水桥梁在不同力量作用下的基础动力响应进行数值模拟分析，并与实验结果进行比较；4. 分析探讨深水桥梁基础动力响应与力量类型、强度、方向等因素之间的关系，拟定改善策略和措施。

研究意义：通过本研究的实验和数值模拟分析，将对深水桥梁基础动力响应的研究有所深入和提高，为深水桥梁设计和施工提供科学的参考和指导。

同时，本研究也可为相关领域提供理论和实践的支持。

预期成果：通过本研究，可得到以下成果：1. 地震、波浪和水流的基础特性分析；2. 深水桥梁试验模型设计及基础动力响应数据；3. 深水桥梁在地震、波浪和水流等不同作用下的ANSYS数值模拟结果；4. 深水桥梁基础动力响应与力量类型、强度、方向等因素之间的关系分析。

研究方案：本研究预计分三年完成，其中第一年主要负责分析各种力量特性，设计试验模型，第二年进行实验和数值模拟分析，第三年分析和总结结论，编写成果报告。

具体工作安排：第一年：1.分析地震、波浪和水流特性；2.设计深水桥梁试验模型。

第二年：1. 进行试验并记录基础动力响应；2. 利用ANSYS对桥梁在不同力量作用下的基础动力响应进行数值模拟分析，并与实验结果进行比较。

第三年：1. 分析深水桥梁基础动力响应与力量类型、强度、方向等因素之间的关系；2. 提出改善策略和措施；3. 编写成果报告。