深水域中大跨薄壁高墩桥梁地震损伤及灾变机理研究

With the construction of numerous bridges with deep-water high pier in the west of China, it is significant to guarantee the safe service of the bridge that the damage principle of deep-water large span bridges with thin-walled high piers in earthquake is comprehended, the calculation method of hydrodynamic force on the high pier is established, the multi-level seismic performance design method considering the effect of water in earthquake is completed, and the technology method to ensure the safety performance of deep water bridges with high piers is proposed. In the project, firstly, the theoretical analysis will be combined with the shaking table test in water, the distribution of hydrodynamic pressure on the pier will be analyzed, the calculation method and model of hydrodynamic force on the deep-water bridge with thin-walled piers will be studied. On the other hand, the damage mode and disaster principle of large span deep-water bridges with thin-walled piers in earthquake will be analyzed, and the integrated modeling and analysis method of bridges considering the coupling effect of environment media and structures will be proposed and set up. At the same time, based on the comprehensive analysis of effect factors on the seismic performance of deep water bridge with thin-walled high piers, the multilevel seismic performance design will be proposed. At last, the simplified calculation method of hydrodynamic force adapting to the design of the practice engineering will be completed. Based on the above study results, the practical technology strategies to reduce the effect of hydrodynamic force on the dynamic response of bridges will be proposed which will provide the scientific basis for the seismic design of deep-water bridges.

随着我国西部地区大量深水高墩桥梁的建设，认识深水域中大跨薄壁高墩桥梁的地震损伤机理，建立作用于深水高墩上动水力的计算方法，完善能够考虑动水影响下的桥梁多级抗震性能设计方法，并提出保障深水高墩桥梁安全性能的技术对策都将对保障桥梁安全运营具有重大意义。本项目首先将理论分析与振动台模型试验研究相结合，分析地震作用下深水桥梁上动水压力的分布规律，研究作用于深水薄壁高墩桥梁上动水力计算方法和模型；其次研究深水域中大跨薄壁高墩桥梁地震损伤模式及灾变机理，提出并建立能够考虑环境介质与结构耦合作用的深水桥梁整体建模及分析方法；在综合分析深水薄壁高墩桥梁抗震性能影响因素的基础上，提出深水桥梁多级抗震性能设计方法；最后完善适用于实际工程设计计算的动水力简化考虑方法，并基于以上研究成果，提出能够有效减弱动水力对桥梁地震动力影响的适合于工程应用的实用化技术对策，为深水桥梁抗震设计提供科学依据。

地震作用下，桥梁水下结构部分在受激振动产生变形的同时，还会引起周围水体的运动，水体运动又以动水力的形式反作用于桥梁水下基础结构，改变桥梁结构自身的振动和变形状态，这种作用与反作用伴随地震的始终。本项目以大跨度深水薄壁高墩桥梁为研究对象，采用计算分析与水中振动台试验相结合的研究方法，探讨了地震作用下动水对桥梁动力响应的影响规律。主要研究成果如下：.（1） 提出了一套适用于研究深水域大跨薄壁高墩桥梁地震动力时程分析的动水力的半解析半数值简便计算方法。该方法符合流体与结构相互作用基本原理，避免了对复杂非线性方程求解，大大的简化了计算工作量。.（2） 动水压力沿矩形截面桥墩和圆桩桩高度方向基本呈抛物线分布。与后藤土岐式的动水压力分布曲线基本吻合，但后者结果更为保守。并且，无论在何种水深，作用于结构迎水面中心位置处的动水压力要大于迎水面两侧的动水压力。.（3） 随着水深的增加，作用于矩形截面桥墩的动水力也随之增大，动水对矩形截面桥墩在地震作用下的动力反应的影响而不断增大，在计算作用于桥梁结构上的动水力时必须考虑水深的影响。.（4） 在不同类型地震作用下，动水对矩形截面桥墩动力反应的影响也不相同。在远场地震作用下，动水对矩形截面桥墩动力响应的影响要大于在近场地震作用时。因此在考虑动水对桥梁结构动力响应的影响时，还应根据地震波类型分别研究。.（5） 利用深水大跨桥梁在动力荷载作用下的动水力简便计算方法，以大跨深水刚构桥为对象，分析了动水对深水域大跨薄壁高墩桥梁动力特性和地震反应的影响。水与桥梁下部结构相互作用使刚构桥自振周期增大，地震作用下动水对刚构桥结构内力有显著的影响。且不同类型地震作用时，动水对桥梁动力响应的影响不尽相同。 . 通过动水对桥梁动力响应影响的分析，完善了基于多水准的深水薄壁高墩桥梁抗震性能设计方法，提出了能够有效减弱地震动水力影响的对策，为桥梁抗震设计提供科学依据。