地震作用下深水桥梁墩-水耦合振动研究

我国建设的深水桥梁多处于地震多发区，地震作用下深水桥梁墩-水耦合振动的研究很少，相关抗震设计规范不完善，急需在该方面展开深入研究。本项目在前期研究的基础上，基于辐射波浪理论，推导多边形、圆端形、椭圆形桥墩附加动水压力半解析解计算方法，采用ANSYS WORKBENCH+ANSYS CFX +ANSYS Mechanical对复杂几何形状桥墩附加动水压力进行数值计算。并在此基础上，对现有计算程序进行二次开发，研制专门针对墩-水耦合附加动水压力数值计算的软件，并采用该软件对附加动水压力的影响因素，如自由表面重力波等进行分析。利用分析结果，并参考各国附加动水压力的相关规范，对规则几何形状桥墩附加动水压力半解析计算方法进行简化，提出适用于工程的合理、高效的简便计算方法。该方面的研究将进一步完善墩-水耦合振动理论，并对我国桥梁抗震设计、桥梁抗震规范的制定具有重要的参考价值。

本项目主要研究地震作用下库区深水桥梁动水压力的计算问题。根据项目计划书中的研究要点，对正方形、矩形、圆端形、椭圆形桥墩动水压力半解析半数值表达式进行了研究；对复杂截面形状桥墩动水压力的数值计算方法进行了研究；并且研究了动水压力的影响因素：结构弹性振动、自由表面重力波、水的可压缩性等；另外还对基于辐射波浪理论的圆形桥墩、矩形桥墩动水压力表达式进行了简化研究。上述研究已经得到较好的执行，并取得了相应的研究成果：. 1）提出了基于辐射波浪法和流体单元法的一种新的动水压力计算方法：混合法，并利用该方法得到了正方形桥墩和矩形桥墩动水压力半解析半数值表达式。. 2）根据一阶频率降低率与附加质量的关系，提出了一种计算动水附加质量的方法：附加质量比法。并用该方法得到了圆端形桥墩、椭圆形桥墩动水压力表达式。另外，该方法也适用于其它复杂截面动水压力表达式的求解。. 3）对流体单元法（Solid45单元模拟桥墩，Fluid30单元模拟流体）进行了改进，简化了流体域边界、提出了合理的流体域范围以及网格划分精度，使得流体单元法的建模复杂程度降低，计算效率和适用性提高。利用改进后的流体单元法，对规则、复杂截面形状桥墩动水压力进行了计算，并对混合法、附加质量比法计算结果提供验证，结果表示：研究中提出的两种新方法具有相当高的计算效率和较好的精度。. 4）对动水压力影响因素的研究结果表明：地震作用下，弹性振动引起的附加质量与刚体运动引起的附加质量近似相等；一般情况下，自由表面重力波对动水压力的影响很小，可以忽略；水的可压缩性对动水压力会产生影响，但是影响很小，在计算过程中可忽略。. 5）基于辐射波浪理论的圆形桥墩外域水、内域水动水压力表达式，以及矩形桥墩外域水动水压力表达式极其复杂，难以在实际工程中应用。研究中对上述表达式进行了简化研究，提出了相应的简化表达式。对比结果表明：简化后的表达式具有较好的精度。