深水橋梁動(dòng)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(guó)內(nèi)建設(shè)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(guó)地震高發(fā)區(qū)。深水橋墩在水中振動(dòng)時(shí)，橋墩的水下部分將受到動(dòng)水壓力作用。動(dòng)水壓力不僅會(huì)影響深水橋梁的動(dòng)力特性，對(duì)動(dòng)力響應(yīng)也有較大的影響。地震作用下動(dòng)水壓力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響不可忽視。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)深水橋梁動(dòng)水壓力的研究，以及墩-水耦合作用的研究相對(duì)較少。國(guó)外規(guī)范對(duì)動(dòng)水壓力的計(jì)算結(jié)果不盡相同，國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范僅能對(duì)跨徑小于150米的簡(jiǎn)單截面類(lèi)型深水橋梁的動(dòng)水壓

2、力進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，不能滿(mǎn)足當(dāng)前大跨度深水橋墩動(dòng)水壓力計(jì)算的需要。目前廣泛使用的動(dòng)水壓力計(jì)算方法都存在一些缺陷，對(duì)深水橋梁動(dòng)水壓力計(jì)算方法展開(kāi)深入研究勢(shì)在必行。
　　本文主要針對(duì)輻射波浪法、Morison方程和流體單元法存在的不足展開(kāi)研究，分別對(duì)上述三種方法進(jìn)行簡(jiǎn)化、擴(kuò)展、改進(jìn)，并提出了兩種新的計(jì)算方法。主要內(nèi)容如下：
　　1.簡(jiǎn)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(dòng)水壓力表達(dá)式，基于輻射波浪法的

3、矩形空心墩內(nèi)域水動(dòng)水壓力表達(dá)式，并建立了相應(yīng)的墩一水耦合計(jì)算模型。簡(jiǎn)要介紹了Morison方程，并建立了基于Morison方程的墩-水耦合計(jì)算模型。簡(jiǎn)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(duì)上述三種方法的計(jì)算效率、精度及適用范圍進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　2.對(duì)流體單元法中流體域邊界條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，對(duì)流體域取值范圍、流體域網(wǎng)格劃分精度進(jìn)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(jìn)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(jì)算小尺寸墩柱外域水動(dòng)水壓力，文中推導(dǎo)了能夠同時(shí)計(jì)算小尺寸圓形空心墩、矩形空心墩內(nèi)外域水動(dòng)水壓力的擴(kuò)展Morison方程，驗(yàn)證了擴(kuò)展Morison方程的合理性。并將擴(kuò)展Morison方程與流體單元法、輻射波浪法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，以判定擴(kuò)展Morison方程的正確性和計(jì)算精度。
　　4.基于輻射波浪法的圓形空心墩內(nèi)、外域水動(dòng)水壓力表達(dá)式，以及矩形空心墩內(nèi)域水動(dòng)水壓力

5、表達(dá)式極其復(fù)雜，難于計(jì)算。通過(guò)參數(shù)分析、數(shù)值擬合等方式，對(duì)基于輻射波浪法的動(dòng)水壓力表達(dá)式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，得到了相應(yīng)的簡(jiǎn)化表達(dá)式。算例表明簡(jiǎn)化表達(dá)式有很高的計(jì)算精度。
　　5.直接使用輻射波浪理論推導(dǎo)矩形墩外域水動(dòng)水壓力，將會(huì)遇到棘手的數(shù)學(xué)問(wèn)題。文中提出了一種新的計(jì)算矩形墩外域水動(dòng)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(duì)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(dòng)水壓力表達(dá)

6、式相乘，得到正方形橋墩外域水動(dòng)水壓力表達(dá)式。再使用流體單元法求解矩形橋墩長(zhǎng)寬比系數(shù)，并與正方形橋墩外域水動(dòng)水壓力表達(dá)式相乘，得到矩形橋墩外域水動(dòng)水壓力表達(dá)式。文中將混合法與流體單元法、Morison方程的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明該方法具有較高的精度與計(jì)算效率。
　　6.圓端形橋墩、橢圓形橋墩也是工程中常見(jiàn)的橋墩類(lèi)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(dòng)水壓力計(jì)算，文中提出了另一種新的計(jì)算方法：基于頻率降低

7、率的附加質(zhì)量比法。在動(dòng)水壓力對(duì)橋墩剛度無(wú)影響、動(dòng)水附加質(zhì)量沿著水深均勻分布的假設(shè)條件下，推導(dǎo)了橋墩在水中一階頻率降低率與附加質(zhì)量之間的關(guān)系。利用流體單元法計(jì)算出各種截面類(lèi)型橋墩的一階頻率降低率，從而得到附加質(zhì)量比，進(jìn)一步得到動(dòng)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(dòng)水附加質(zhì)量表達(dá)式。文中建立了基于附加質(zhì)量比法的墩一水耦合計(jì)算模型，對(duì)每一種類(lèi)型橋墩的動(dòng)水附加質(zhì)量表達(dá)

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(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證附加質(zhì)量比法的計(jì)算精度。
　　7.為了檢驗(yàn)文中提出的兩種新方法：混合法、附加質(zhì)量比法在實(shí)際深水橋梁工程中應(yīng)用時(shí)的正確性與精度，分別使用上述兩種方法與流體單元法，對(duì)岷江廟子坪大橋連續(xù)剛構(gòu)主橋進(jìn)行了動(dòng)力特性與地震響應(yīng)對(duì)比分析。結(jié)果表明：流體單元法建模繁雜，單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，計(jì)算效率低，計(jì)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(diǎn)數(shù)量小，計(jì)算效率很高