深水组合桥墩地震响应及抗震性能研究

发布时间：2020-04-21 00:49

【摘要】：随着我国经济发展及交通需求,跨海、跨江等深水桥梁不断涌现。由于墩体位于深水中,地震激励下水-桥墩存在动力相互作用,产生的动水压力将影响桥墩的动力特性及地震响应。地震激励下,传统深水钢筋混凝土桥墩易发生脆性破坏,且难以修复;而钢管混凝土组合桥墩由于承载力高、延性好等优点,逐渐应用于桥梁中,对于提高深水桥梁的安全性具有重要意义。因此,本文对深水组合桥墩地震响应及抗震性能、墩水耦合简化分析方法适用性进行研究,主要研究工作和创新成果如下:(1)分析了动水压力对不同类型桥墩地震响应的影响。以钢筋混凝土桥墩、钢管混凝土组合桥墩、中空夹层钢管混凝土组合桥墩为研究对象,对不同水深下桥墩进行模态分析。并通过流固耦合数值分析方法,考虑地震波类型、水深等因素,对深水桥墩进行地震响应分析。结果表明有水时桥墩各阶自振频率均降低,且降低幅度随着水深的增加而增大,桥墩高阶频率受水的影响程度更大。动水压力增大了桥墩地震响应,桥墩刚度越小,自重越轻,其地震响应受水的影响更大。多遇地震下,实心桥墩水深与墩高比超过0.6时,或空心桥墩水深与墩高比超过0.4时,动水压力对地震响应的影响幅度超10%,不可忽视。(2)分析了强震作用下深水组合桥墩弹塑性非线性动力时程特性,及Morison方程附加质量法在深水组合桥墩弹塑性分析中的适用性。分别采用流固耦合数值法及Morison方程附加质量法对不同长细比、不同水深的组合桥墩进行分析及比较。结果表明:长细比越大,Morison方程精度越高。当长细比大于53时,基于Morison方程的附加质量法的误差在10%以内,可满足精度要求。水深的变化对Morison法精度影响较小。(3)分析了动水压力对实心钢管混凝土组合桥墩及中空夹层钢管混凝土组合桥墩抗震性能的影响。建立基于Morison附加质量法的半解析半数值法有限元模型,选取远场地震及近场地震,分别对无水、有水工况下的实心钢管混凝土组合桥墩和中空夹层钢管混凝土组合桥墩进行IDA分析。研究表明:桥墩在水中振动时更易破坏,有水时桥墩达到极限位移角所对应的地震动峰值加速度要比无水时低0.1g~0.2g。近场地震作用下,桥墩的位移角更大,且受动水压力的影响更大。相比于实心桥墩,自重较轻的空心桥墩在无水条件下地震响应更小,但由于其更易受到动水压力的影响,在有水条件下其与实心桥墩的地震响应相似。
【图文】：

跨海大桥

跨海大桥、胶州湾跨海大桥、东海大桥、杭州湾跨海大桥等，，如图 1-1 所示。其中港珠澳跨海大桥的主桥更是长达 22.9 公里。跨海大桥往往处于复杂的深水环境中，以港珠澳大桥为例，其所经海域水深 7 米至 20 米，有 190 个桥墩的承台位于海床面以下，属于深水桥墩，这对桥墩的设计与施工都提出了更高的要求。此外，我国地处环太平洋地震带和亚欧地震带交汇处，渤海海峡、台湾海峡等均处于强震活跃区，桥墩作为跨海大桥下部主要抗震构件，地震对其影响不容小觑。（a）港珠澳跨海大桥（b）胶州湾跨海大桥

深水桥,钢筋混凝土桥墩

（a）小鱼洞镇大桥桥墩倒塌（b）庙子坪大桥墩身水下裂缝图 1-2 汶川地震深水桥梁破坏传统的钢筋混凝土桥墩往往因强度低、延性差等原因而发生破坏，引起桥梁的破坏甚至倒塌。且对于深水桥墩，地震作用下水下墩身发生破坏后修复困难而钢管混凝土结构由于结合了混凝土结构和钢结构的优点，具有承载力高、延性好、施工方便等优点，逐渐被应用于桥墩结构。1995 年日本阪神地震后，大量钢筋混凝土桥墩破坏严重。日本研究人员将钢管混凝土结构应用于桥墩中，表现出
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U443.22;U442.55

【参考文献】