基于流固耦合效应的深水大跨刚构桥抗震性能研究

余君宇 杨凯文 孙雪倩 李卓宇 徐子豪 李悦

摘 要：为了促进深水桥梁抗震性能的提高，基于流固耦合理论，对考虑结构—水相互作用效应的深水大跨度刚构桥进行了地震动力响应分析，文章研究了水位变化对桥梁地震响应的影响。结果表明，水深对大跨刚构桥的地震响应有较大影响，高烈度区桥梁在进行设计时应考虑水深对桥梁抗震能力的影响。

关键词：流固耦合;有限元分析;刚构桥;深水桥梁

0 引言

桥梁结构在地震中极易遭受破坏，但在震后的紧急救援和灾后重建中，又发挥着极其重要的作用。如何最大限度降低地震破坏，确保桥梁工程在地震中的安全性和可靠性，已成为人们越来越关注的课题[1]。

由于目前国内外学者对深水库区桥梁抗震设计方面的研究成果较少，现行《公路桥梁抗震设计规范》中对此类桥梁的抗震设计也无具体规定，设计理论和设计方法均缺乏成熟的理论依据，成为国内桥梁抗震设计规范的盲区[2]。对高烈度区深水库区刚构桥进行地震性能分析研究，将有助于完善该类桥梁的抗震设计方法，促进我国桥梁抗震设计水平的提高，对深水库区桥梁的抗震设计工作具有重要的指导意义[3]。

1    工程概况

以一座7跨1 260 m连续刚构桥为研究对象，主桥跨径布置为（70+5×120+70 m），桥梁上部结构采用预应力混凝土变截面连续刚构，下部结构采用双薄壁墩、矩形承台、桩基础，桥梁布置示意图如图1所示。

2    桥梁有限元模型

采用有限元分析软件对小江特大桥进行动力时程分析。基于流固耦合理论的，考虑正常蓄水位、汛期限制水位和死水位3种水深情况，进行桥梁动力响应分析。

桥墩和水体分别采用3D—Solid单元、3D—Fluid单元模拟，模型中水体取20倍桥墩尺寸宽度范围（见图2）。桥墩底部固结，水体表面和侧面分别按自由液面和无限远边界进行设置。

3    桥梁地震动力响应分析

为了研究地震作用下，动水对桥梁动力响应的影响，对比桥墩在无水、汛期限制水位和正常蓄水位3种情况下的动力响应。

随着水深的增大，桥梁各墩墩顶位移也在增大          （见图3），尤其是以P11和P12号墩增加最多。其中当地震动沿纵桥向作用于桥梁时，边墩P9、P13和P14位移峰值增加较多，平均可达40%。各桥墩墩底弯矩峰值增幅较为一致，正常蓄水位時比无水时桥墩墩底弯矩平均增加了250%      （见图4）。墩底剪力峰值增幅相比较较为平均，在正常蓄水位时比无水时桥墩墩底剪力平均增加了300%。

4    结语

为了促进深水桥梁抗震设计能力的提高，基于流固耦合理论，对考虑结构—水相互作用效应的深水大跨度刚构桥进行了地震动力响应分析，研究了水位变化对桥梁地震响应的影响。结果表明，水深对大跨刚构桥的墩顶位移，墩底弯矩和剪力等都有较大影响，高烈度区桥梁在进行设计时应考虑水深对桥梁抗震能力的影响。

[参考文献]

[1]李悦，王克海，李茜，等.动水对深水大跨刚构桥地震响应影响[J].公路交通科技，2011（12）：76-81.

[2]江辉，金佳敏，王志刚，等.基于IDA的深水连续刚构桥桥墩概率性地震损伤特性[J].中国公路学报，2017（12）：89-100.

[3]李悦.强震作用下动水压力对深水桥梁动力性能的影响研究[D].北京：北京科技大学，2010.

（编辑 傅金睿）