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第一章绪论我国深水桥梁建设中一个值得注意的特点是第二类深水桥

发布时间:2019-07-04 20:17 来源:未知 编辑:admin

  第一章绪论我国深水桥梁建设中一个值得注意的特点是第二类深水桥梁近年来呈显著上升的势头且其桥墩的入水深度有超过跨海大桥的趋势。如表 所示 已建成的奉节长江大桥 其桥墩的入水深度已接近杭州湾大桥 而庙子坪崛江大桥和汉源大树大渡河大桥桥墩的入水深度则已超过杭州湾大桥 沸街渡大桥桥墩的入水深度更深达 米。这

  第一章绪论我国深水桥梁建设中一个值得注意的特点是第二类深水桥梁近年来呈显著上升的势头且其桥墩的入水深度有超过跨海大桥的趋势。如表 所示 已建成的奉节长江大桥 其桥墩的入水深度已接近杭州湾大桥 而庙子坪崛江大桥和汉源大树大渡河大桥桥墩的入水深度则已超过杭州湾大桥 沸街渡大桥桥墩的入水深度更深达 米。这主要是由于我国巨型水电站的建设日益增多 在电站蓄水前修建桥梁 采用不大的桥梁跨度即可跨越河流 而在电站蓄水后修建桥梁 要么不得不进行大量的、难度较大深水基础施工 要么增大桥梁跨度 减小基础入水深度 无论是选择哪一个方案均将付出沉重的经济代价 一个较为典型的实例是 三峡库区的丰都在三峡水库蓄水前修建的丰都一桥跨度仅 悬索桥而在三峡电站蓄水后现在正规划的丰都二桥跨度将达到 造价将呈数量级的显著增加。显而易见在蓄水前修建桥梁无论是经济代价还是施工风险都要小得多 因此在三峡电站蓄水前 先后建成了云阳长江大桥、忠县长江大桥、奉节长江公路大桥等特大桥 使投资得以节约。但蓄水前修建的桥梁 一旦水库蓄水 多将变为深水桥梁 】。我国是欧亚地震带经过的地区 是地震多发区之一 地震烈度高。一些巨型电站不可避免的修建在地震区 如小湾电站 这些电站在修建时 对大坝进行了详尽的地震响应分析 但是桥梁桥墩与水在地震影响下的相互作用机理的研究目前尚处于起步阶段【 】。目前我国主要深水桥梁统计见表 深水桥梁统计表序号桥名水中桥墩高度所处水类型 长江杭州湾大桥 杭州湾 云阳长江大桥 三峡库区 奉节长江公路大桥 三峡库区 忠县长江大桥 三峡库区 紫坪铺电站库区骑骡沟大桥 白鹤滩水电站库区 汉源人树人渡河大桥 瀑布沟水电站库区 沸街渡大桥 小湾电站库区 国外深水桥梁的建设经济建设的快速发展推动了交通基础设施建设的步伐 国外深水桥梁的建设 长安大学硕士学位论文主要集中在跨海桥梁的建设上。如 直布罗陀海峡桥 线方案水深 线方案水深米。日本 世纪跨海规划 津轻海峡桥 基础水深 东京湾桥最大水深 月建成了跨越英吉利海峡的隧道后英国还计划在英格兰和爱尔兰之间的圣 乔治海峡以及苏格兰和爱尔兰之间、苏格兰和赫布里底群岛和奥克尼群岛之问建设跨海工程。在修建跨海大桥时 由于施工机械及施工工艺的局限性 设计师们都尽量避免过深的深水桥墩 意大利的海峡大桥等跨海大桥都避免了深水基础。近年完成的深水桥梁的代表桥梁是希腊的 跨斜拉桥号桥塔下塔柱入水深度为 深水桥梁地震响应的主要特点深水桥梁与裸水桥梁相同抗震问题同样不可回避。在地震作用下 水中结构的运动会引起结构周围水体的辐射波浪运动 由于结构与水的相对运动 水会在结构水下部分作用有动水压力。该动水压力不仅会改变结构的动力特性 还会影响结构的动力响应。目前 在海洋平台、大坝和码头等结构的抗震分析中都考虑了水对结构的影响。研究表裱。 水对运动中的结构所产生的作用将主要表现为惯性力和阻尼力的形式。地震作用下深水桥墩或基础在水中震动引起的动水附加惯性力可能会对下部结构乃至全桥的动力特性和内力响应产生较大影响。如果下部结构不能抵抗其自身的惯性力和由支座传递的上部结构的地震力 就可能发生破坏 。因此在该区域内的深水桥梁在考虑桥梁抗震问题时不可避免地涉及到水一桥墩相互作用 问题。与此同时由于深水桥梁在建成后 水下桥墩具有不可替换和修复的特点 因此地震作用下深水桥梁下部结构与水之间的动力相互作用成为了桥梁抗震设计中一个亟待解决的重要技术问题。 动水压力的研究现状 考虑动水压力的必要性由于深水桥梁均建在水中 在地震作用下 水体受地震激励后将产生剧烈的波动 这种波动对水中墩柱结构地震反应的影响被称为动水压力效应。从力学角度分析 动水第一章绪论压力效应的主要体现在于水体波动对墩柱施加的动水压力 且动水压力直接形成了墩柱的附加荷载。深水桥梁在地震作用下会引起结构周围水体的辐射波浪运动 由于结构与水的相对运动 在结构水下部分将作用有动水压力。该动水压力不仅会改变结构的动力特性 还会影响结构的动力响应。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。地震动水压力问题 实质上是结构与水的相互作用问题 因而是十分复杂的【 中也规定了“位于常水位水深超过米的实体桥墩、空心桥墩的抗震设计 应计入地震动水压力” 影响动水压力的主要因素国内外一些学者对影响结构上动水压力的主要因素进行了研究。王敏等对自由表面重力波的影响做了研究认为对于齐水面和浸没于水中的细长柱结构来说 自由表面重 力波的影响相当小 可略去不计。对于齐水粗矮圆柱体结构来说 在低频时 重力波影响相当大 不能略去不计 但随着结构的上表面与静水面距离的增大 重力波的影响将越来越小。王志培等通过对水中圆柱体的分析 认为对于底端固定且顶端浸没于水中的阶段圆柱体 在水平地震作用下 只有在激励频率相当低的情况下表面波的影响比较明显 当激励频率低到一定范围时 圆柱体上的动水压力会突然增大。当激励频率增大时 这种影响很快减弱 以至柱体上的水平力和倾覆弯矩基本上不随着激励频率而改变。 对水平地震作用下弹性柱体结构的研究表明 动水压力的作用会对结构的动力特性产生较大的影响。 等学者在这方面做了大量的工作他们的研究结果表明 在地震作用下 水一结构相互作用对水中弹性结构的地震响应有很重要的影响 同时也进行了大量的试验研究 试验证明了既有理论的正确性 并重新定义了附加质量 认为水对结构的影响可以等效为一个附加质量 这样就降低了结构一阶模念的自振频率和阻尼比。对于弹性结构 该附加质量的幅值和分布依赖于结构的振型【 长安大学硕士学位论文地震作用下动水压力的研究国内近几十年来对水与桥墩动力相互作用有许多研究 但相对于问题的复杂性 研究的仍然较少。郑海荣在进行桩一土一上部结构 桥墩 一流体相互作用体系的地震响应分析时 利用日本《铁路结构物设计规范》 计算的动水力只 并采用附加质量的概念考虑了地震动水压力的作用 得出在考虑动水压力作用后最高顶点的位移减小【 】。房营光等在分析平台一群桩一水流一土体系统的地震反应时 根据流体连续性方程和边界条件并考虑辐射条件求解出速度势 再由欧拉方程计算出水对桩的动水力 该方法给出的是动水压力的解析解【 】。高学奎等利用 方程来计算地震作用下的桥梁受到的动水压力 同样利用附加质量进行考虑 将桥墩上部结构简化为集中质量进行考虑 采用有限元分析也得出类似的结果 并提出采用相对水深考虑动水的作用更适合口 。钟明全等利用声流体理论建立桥墩与水体的相互作用计算模型 考虑了桩一土的交互作用 土的作用采用等代弹簧的模型 弹簧刚度由“ ”法确定 同时考虑了 种不哦。。超越概率水平的人工合成地震波 计算分析了奉节长江大桥主墩的地震动水压力分布 郑史雄根据液固相互作用理论 建立了深水桥墩与其周围的水相互作用的有限元模型和运动微分方程 并取桥墩和水的基本未知量都为位移 根据界面速度和力连续条件进行求解 最后利用有限元模型进行了液固相互作用对桥墩内力和位移等响应的分析 认为深水桥墩忽略周围水介质的影响将会低估桥墩的地震响应 】。李彤在地震作用下土一群桩一结构一水相互作用体系的动力反应分析中运用 方程考虑动水压力的影响 并对动水压力的附加阻尼项进行了线性化从而有利于动力方程的求解【 赖伟等对水与桥墩的动力相互作用进行了较为全面的研究对地震作用下圆柱桥墩上的动水压力 将水的速度势分为刚体速度势和弹性速度势 提出了一个半解析半数值方法 其中采用梁单元有限元方法建立了水中桥墩结构的运动方程 避免了解析方法中结构的有水振型函数带来的计算困难和应用限制。该方法计算相对简单、有效 并可考虑表面波效应和流体的压缩影响 方程的附加质量方法进行了讨论认为可以忽略附加阻尼项 从而为使用反应谱方法带来方便 对位于水中的截段圆柱体做简第一章绪论谐运动时结构周围的辐射波浪进行研究得出其解析解答 同时进行了水下基础桥墩地震动水效应的水下振动台试验 通过模型试验 分析与讨论了动水力对桩基础桥墩地震动响应的影响程度以及不同地震动输入条件下结构与水的相互作用规律 试验结果表明水的存在会改变结构动力特性和动力响应【 本文的研究内容及目的从连续刚构桥的实际设计应用出发以骑骡沟大桥为工程背景研究深水高墩连续刚构桥的抗震性能 本文在以下方面做了一些分析和探讨 在阅读大量文献资料的基础上总结了现有动水压力的计算方法及其影响因素 并详细介绍了 方程计算方法。 采用骑骡沟大桥为计算模型 针对 方程法进行深水桥墩地震反应分析。在地震作用下 由于动水压力的影响 桥墩的墩顶位移 墩顶和墩底的内力在有水和无水的情况下 所求得的结果相差较大。 探讨了水深对桥墩地震响应的影响。随着水深的增加 影响程度也在变大。计算项目不同 动水压力的影响程度也不同。动水压力对桥墩地震响应的影响程度与许多因素有关 包括计算项目 水的深度 输入的地震记录等。 应用深水桥梁地震响应分析的半解析法 对深水空心墩刚构桥的地震响应特性进行研究 探讨内域水、外域水等因素对连续刚构桥地震响应特性的影响。 长安人学硕七学位论文第二章水与结构动力相互作用理论 水一结构动力相互作用 水一结构动力相互作用理论由于目前国内外对深水桥梁动水压力问题的研究很少 而海洋科学中对波浪力问题的研究已经取得了大量成果 这二者又有一定的相似之处 因此可以将分析波浪力问题中的有关理论和结论应用于深水桥梁动水压力问题的研究。要对深水桥梁的动水压力进行分析 首先面对的问题是如何描述水的运动。为了便于避开数学上难以解决的问题 一般认为水体的波浪运动是线性的单一频率的运动。根据水的运动状态 地震作用下水一结构相互作用的研究可分为三类问题。第一类问题是辐射波浪问题 即认为水在结构运动前保持静止 在某种激励下结构在水中运动 并激起水的波浪运动 这种波浪运动成为辐射波浪运动。第二类是绕射波浪问题 即当从远处传来的波浪运动到结构物处时 结构保持不动 结构对波浪的阻挡改变了波浪的运动骗痨。形式 使波浪做散射运动 入射波浪与散射波浪叠加形成的总的波浪场即为绕射波浪。在上述两类问题中 由于水与结构之间的相对运动 水中的结构会受到动水压力的作用。第三类问题是对于横向小尺寸结构 假定其在水中的运动并不影响水的运动状态 可以采用经验公式近似考虑结构在水中运动所受的动水压力【 引。动水对结构的作用效应有三种 粘性效应、惯性力效应和绕射效应。对应于这三种作用效应 一般依据结构横向特征尺寸是否对水的运动有显著影响 将问题分为与波长 相比横向特征尺寸较大和较小的两类结构来分别考虑。为方便使用 针对不同的结构尺寸及不同的波长条件 给出了动水压力中粘性阻力、惯性力和绕射力占支配地位的范围。对于横向小尺寸结构 绕射效应可以略去 此时水的粘性效应显著。横向小尺寸结构所受动水压力的计算方法到目前为止还没有比较严格的理论解 原因是要考虑粘性的影响还是一个比较困难的问题 现在通常采用著名的 方程计算横向小尺寸结构的动水压力【 第二章水与结构动力相互作用理论水一结构动力分析方法水与弹性结构的耦联振动问题是液一固异相耦合问题。其分析方法可大致分为三大类 第一类是解析法 这类方法要求对耦合系统进行很多简化 第二类方法是数值分析方法 数值分析主要是有限单元法、边界元法和有限元与边界元法相结合 最后一类方法为半解析法 也称为混合型解法 它是将解析法和数值方法相结合的方法。在这三类方法中 第一类的计算量最小 第三种次之 第二类计算量最大。研究表明 结构在初始静止水中运动时 水的粘性效应很小 可以忽略不计。因此对弹性结构与水的耦联振动的研究绝大多数都假定水为作无旋运动的理想流体。因此本论文也假定水为理想流体。 解析法解析法尽管对结构做了很多简化 但是由于其计算量小 易于求解 非常适合理论上的探讨。解析法主要包括特征函数扩展法和加权余量法。其中 加权余量法的特点是寻求满足一定边界条件的解析形式的近似解 当势函数选择恰当时 可以用很小的计算量获得精度高、规律性强的解答。坝库相互作用问题多采用该方法。同样 相当一部分研究工作是将结构简化为圆柱体 采用特征函数扩展法来研究水对结构地震响应的影响 并能得到相应封闭解。最初人们在考虑水一结构相互作用情况下结构的地震响应时 假定结构在不可压缩流体中作刚体运动。基于该假定 年最早研究了具有垂直坝面的刚性坝在水平地震作用下的动水压力问题。他给出在水平地震运动下垂直坝面上动水压力的计算公式。指出 动水压力等价于使附加在坝体上的水体附加运动所需要的力 并把这部分水体称为影响大坝运动的“附加质量” 其幅值依赖于激励频率。附加质量的概念为考虑结构在地震反应中与水的相互作用提供了最便捷的手段。此后 解成为计算水下结构单位长度上动水压力的经典公式【 数值分析法对于复杂的水一结构耦合体系通常采用数值分析方法。在数值分析法中 以有限元法、边界元法为主。有限元法是把结构和水均按有限元方法进行离散。有限元用于求解流固耦合作用问题的关键是建立耦合系统的有限元格式和对数值求解方案的选择。根据流固耦合的特点 固体域一般均采用位移模式描述 对流体域变量的取法则不相同 主要有以下两类 、流体域以位移为场变量的模式位移一位移模式 在文献中根据势函数的不同 流体域变量有以下几种 流体域变量为压力 流体域变量为位移势和压力 流体域变量为位移势 流体域变量为速度势 流体域变量为速度势和静水压 流体域变量为速度势、密度和非定常 数。第一类方法中由于流体域采用位移模式 则结构和流体共同采用固体力学中拉格朗日坐标系 称为位移 结构 一位移 流体 模式 也称拉格朗日方法。其特点是可以把结构分析的通用程序直接应用到流体域中 并在结构与水耦合边界上自动满足位移协调条件 流、固界面耦合易于实现。计算中一般把流体的剪切刚度设为零 因而结构与流体之间只有正交位移连续性。但是该方法存在大量的“零能模态’’ 给分析带来很大困难 第二类方法中由于流体域采用势函数为变量 又称为欧拉法 即结构和水分别采用 不同的坐标系结构用拉格朗日坐标下的位移 为场变量 水体用欧拉坐标系下的压力 、速度势 等标量为场变量。在这种方法中 由于水体的场变量己经满足流体运动无旋条件 不会出现流体矩阵奇异的问题 克服了拉格朗日方法中的“零能模态”。在第二类方法中流体采用压力 为模式的方法应用最为广泛。即位移 结构 一压力 流体 格式 流固耦合系统采用位移 一压力 格式后 虽然不出现矩阵奇异的问题 但是有限元方程不对称 同时出现数值的稳定性问题 等学者提出了一些对称化处理方法。 则提出了更易于有限单元法求解的隐式一显式格式 并用能量法证明了这种格式的稳定性。目前有限单元法成为库一坝相互作用仿真分析的常用方法【 半解析半数值法解析法力学概念清晰用于理论研究较为适宜 但目前该法只适用于几何形状比较简单的问题 难以在复杂的工程问题中直接应用。数值分析法虽然能分析几何形状比较复杂的问题 并能用于解决实际工程问题 但计算复杂 通常需要繁重的前期处理工作 第一二章水与结构动力相互作用理论且计算量巨大。鉴于以上原因 在研究水体与结构的耦联振动时 一般采用结构以有限元方法 水体动水压力用解析法表示。该方法降低了计算的复杂程度。特别对于桥梁结构 有限单元法可以采用梁模型进行分析 使地震响应分析可以考虑桥墩与水的耦联振动 同时使计算工作量与传统的地震响应分析一致。 动水作用理论方程 方程 等为表面光滑刚性圆柱体上的动水压力计算提出了一个半经验半解析的方程 该方法忽略了结构存在对水运动的影响 认为水对结构的作用主要分别由未受扰动的加速度场和速度场引起的沿水运动方向作用于结构上的惯性力和阻力。其中 动水惯性力和阻力不仅与结构的外形尺寸和水质点运动状态有关 而且还分别与动水惯性系数 肼和动水阻力系数 有关。对于非圆形截面的横向小尺寸柱体 实践中通常也采用 方程计算其动水压力 在计算中需要采用与截面形式相应的动水惯性系数 和动水阻力系数 。同时 方程也是目前常用的结构动水压力概率计算方法的基础【 。在地震作用下还可能产生垂直于水运动方向的横向力 但是对于这种力的研究还很不成熟。 动水压力的简化计算方法一 方程法目前可供工程实用的波浪力计算方法仅有 方程 方程可用于计算正向波浪力。作用在单位长度柱体上的正向波流力 一水的密度一分别是水阻力系数及惯性力系数 一柱体迎波浪面的边长 一柱体截面积 一波流场中综合水平速度 一水平加速度。假设水体是理想的无旋 不可压缩的流体 桩身上的动水压力可采用 方程近似计算。该方法忽略墩体对水运动的影响 认为水对结构的作用分别是没有受到扰动的加速度场和速度场引起的水流在运动方向上作用于结构上的惯性力和阻尼力造成的。 长安大学硕士学位论文由 式得地震 波动力方程 一二一一二一 式中旷墩体截面面积一墩体水下部分体积 “、“一分别是水的绝对加速度和绝对速度 一分别为墩体的相对加速度和相对速度‰一地面运动加速度。假设桥梁处于静水当中 我们可以看到式的阻力项是非线性项 对该项进行线性化处理 得到新的 方程 假设地基是刚性的桥墩结构是由多个单元组成 整个上部结构简化成集中质量单元。由地震下动水作用的结构体系的动力平衡方程可以表示为 动水阳力与动水惯性力相比较小可以忽略不计。式 变为 作用在结构上每个节点的动水作用力是与这个节点相连的所有单元的受力的一半则节点 处的动水等效质量为 一单位长度上的节点处的结构截面积 单元有效长度的一半。一根据《海水固定平台建造规范 规定 对于圆柱体结构

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