深水橋梁動水壓力分析方法研究.pdf

1、隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，國內(nèi)建設了大量的深水橋梁。這些深水橋梁多處于西部山區(qū)，這些地區(qū)是我國地震高發(fā)區(qū)。深水橋墩在水中振動時，橋墩的水下部分將受到動水壓力作用。動水壓力不僅會影響深水橋梁的動力特性，對動力響應也有較大的影響。地震作用下動水壓力對橋梁結(jié)構的影響不可忽視。目前國內(nèi)外對深水橋梁動水壓力的研究，以及墩-水耦合作用的研究相對較少。國外規(guī)范對動水壓力的計算結(jié)果不盡相同，國內(nèi)相關規(guī)范僅能對跨徑小于150米的簡單截面類型深水橋梁的動水壓

2、力進行簡化計算，不能滿足當前大跨度深水橋墩動水壓力計算的需要。目前廣泛使用的動水壓力計算方法都存在一些缺陷，對深水橋梁動水壓力計算方法展開深入研究勢在必行。
　　本文主要針對輻射波浪法、Morison方程和流體單元法存在的不足展開研究，分別對上述三種方法進行簡化、擴展、改進，并提出了兩種新的計算方法。主要內(nèi)容如下：
　　1.簡要介紹了線性輻射波浪理論，以及基于輻射波浪法的圓形空心橋墩內(nèi)、外域水動水壓力表達式，基于輻射波浪法的

3、矩形空心墩內(nèi)域水動水壓力表達式，并建立了相應的墩一水耦合計算模型。簡要介紹了Morison方程，并建立了基于Morison方程的墩-水耦合計算模型。簡要介紹了流體單元法原理，并建立了墩-水耦合有限元模型。對上述三種方法的計算效率、精度及適用范圍進行了對比分析。
　　2.對流體單元法中流體域邊界條件進行了簡化，對流體域取值范圍、流體域網(wǎng)格劃分精度進行了研究，得到了常用深水橋墩理想流體域范圍及合理的網(wǎng)格劃分精度，并建立了改進的流體單元

4、法墩一水耦合有限元模型。
　　3.傳統(tǒng)Morison方程只能計算小尺寸墩柱外域水動水壓力，文中推導了能夠同時計算小尺寸圓形空心墩、矩形空心墩內(nèi)外域水動水壓力的擴展Morison方程，驗證了擴展Morison方程的合理性。并將擴展Morison方程與流體單元法、輻射波浪法計算結(jié)果進行了對比，以判定擴展Morison方程的正確性和計算精度。
　　4.基于輻射波浪法的圓形空心墩內(nèi)、外域水動水壓力表達式，以及矩形空心墩內(nèi)域水動水壓力

5、表達式極其復雜，難于計算。通過參數(shù)分析、數(shù)值擬合等方式，對基于輻射波浪法的動水壓力表達式進行了簡化，得到了相應的簡化表達式。算例表明簡化表達式有很高的計算精度。
　　5.直接使用輻射波浪理論推導矩形墩外域水動水壓力，將會遇到棘手的數(shù)學問題。文中提出了一種新的計算矩形墩外域水動水壓力的方法--基于輻射波浪法與流體單元法的混合法。該方法使用流體單元法獲得正方形橋墩相對于圓形橋墩的形狀系數(shù)，并與基于輻射波浪法的圓形橋墩外域水動水壓力表達

6、式相乘，得到正方形橋墩外域水動水壓力表達式。再使用流體單元法求解矩形橋墩長寬比系數(shù)，并與正方形橋墩外域水動水壓力表達式相乘，得到矩形橋墩外域水動水壓力表達式。文中將混合法與流體單元法、Morison方程的計算結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明該方法具有較高的精度與計算效率。
　　6.圓端形橋墩、橢圓形橋墩也是工程中常見的橋墩類型。為了解決圓端形橋墩、橢圓形橋墩以及任意截面形狀橋墩外域水動水壓力計算，文中提出了另一種新的計算方法：基于頻率降低

7、率的附加質(zhì)量比法。在動水壓力對橋墩剛度無影響、動水附加質(zhì)量沿著水深均勻分布的假設條件下，推導了橋墩在水中一階頻率降低率與附加質(zhì)量之間的關系。利用流體單元法計算出各種截面類型橋墩的一階頻率降低率，從而得到附加質(zhì)量比，進一步得到動水附加質(zhì)量。使用該方法，文中提出了基于附加質(zhì)量比法的圓形橋墩、正方形橋墩、矩形橋墩、圓端形橋墩、橢圓形橋墩外域水動水附加質(zhì)量表達式。文中建立了基于附加質(zhì)量比法的墩一水耦合計算模型，對每一種類型橋墩的動水附加質(zhì)量表達

8、式，使用流體單元法、輻射波浪法與混合法中的一種或兩種進行對比，以驗證附加質(zhì)量比法的計算精度。
　　7.為了檢驗文中提出的兩種新方法：混合法、附加質(zhì)量比法在實際深水橋梁工程中應用時的正確性與精度，分別使用上述兩種方法與流體單元法，對岷江廟子坪大橋連續(xù)剛構主橋進行了動力特性與地震響應對比分析。結(jié)果表明：流體單元法建模繁雜，單元、節(jié)點數(shù)量龐大，計算效率低，計算結(jié)果偏于保守；混合法與附加質(zhì)量比法建模方便快捷，單元、節(jié)點數(shù)量小，計算效率很高