考虑流固耦合效应的水中桥墩动力响应分析

摘要

由于众多大江大河、水库、跨海桥梁的建设,桥梁在向大跨度发展的同时,也具有向深水发展的趋势。到目前为止,已建和在建的深水桥梁桥墩入水深度最深已达168米。作为下部承载结构,桥墩承受着由桥梁上部结构传递下来的荷载的同时,也承受着洪水、泥沙、流冰和各种漂流物的冲击作用,深入全面研究桥墩在考虑流体影响下的动力与静力特性对桥墩乃至桥梁结构安全稳定非常重要。
　　 本文在查阅大量国内外关于流固耦合计算原理及及相关分析方法的文献的基础上,针对独立桥墩结构在水中的静力和动力作用下的结构性能和效应开展以下几方面研究:
　　 1)从桥墩与水流固耦合振动理论(附加动水压力理论)出发,定性分析了实体桥墩与流体相互作用对桥墩横向弯曲振型方程的影响,进而分析了考虑流固耦合影响时水中桥墩自振特性的各种影响参数,这些参数包括桥墩长细比、桥墩淹没深度与墩高之比、截面形状等。
　　 2)当洪水水流冲击桥墩时,以桥墩顶部最大位移、桥墩底部最大应力为参考变量,分析了桥墩最大响应的冲击放大倍数随桥墩淹没深度与墩高之比、洪水流速之间关系。当洪水绕流桥墩时,以桥墩顶部最大位移、桥墩底部最大应力为参考变量,分析了考虑双向流固耦合效应的桥墩最大响应与考虑单向流固耦合效应的桥墩最大响应之比的流固耦合效应系数以及该系数随洪水流速的变化。
　　 3)比较并分析了中国各规范、美国规范中动水流压力荷载的参数取值的差异。中国公路桥涵规范对动水流压力荷载的参数取值最大,中国铁路规范对动水流压力荷载的参数取值次之,然后是美国规范,中国港工规范对动水流压力荷载的参数取值最小,考虑流固耦合效应后动水流压力荷载居于美国规范与中国港工规范之间。