动水压力作用下地基-桩基础-桥墩结构地震响应分析

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为适应经济与技术的快速发展,我国建立了越来越多的跨海跨江桥梁,这些桥梁大多处于深水之中,此类桥梁一旦遭受地震灾害的破坏,其加固和修复工作将耗费大量的人力物力。已有研究表明,当桥墩处于深水复杂环境中时墩-水相互作用不但会改变桥墩的自振特性,并且会对地震作用下的结构响应产生较大影响,因此必需对深水桥梁的抗震性能进行正确的评估。  本文基于目前关于研究动水压力的Morison方程法,以附加质量考虑动水压力作用。利用有限元软件ABAQUS建立了刚性地基桥墩与地基-桩基础-桥墩模型,对两种结构进行自振频率和地震响应分析,主要内容及结论包括:  1、对刚性地基桥墩进行自振频率和地震时程分析,结果表明:动水压力作用会折减桥墩的自振频率,折减系数随着水深的增加而增大;动水压力作用下,桥墩的地震响应幅值会增大,其增幅随着水深的增加而增大。当桥墩入水深度小于5m时可忽略动水压力作用,当水深大于5m时需计入水体的影响。  2、对地基-桩基础-桥墩进行自振频率和水平单向地震时程分析,结果表明:相对于刚性地基桥墩,动水压力对地基-桩基础-桥墩自振频率折减和地震响应增幅作用有所降低,但仍不能忽视其影响。同时,动水压力作用对地基-桩基础-桥墩下部桩基础地震响应产生了较大影响,桩基础和桩截面位置不同所受动水压力影响程度不同。可见在深水桥梁抗震设计时,不仅要考虑动水压力作用对桥墩动力响应的影响,也要重点考虑其对下部桩基产生的影响。  3、对地基-桩基础-桥墩进行水平双向地震时程分析,结果表明:相对于水平单向地震作用,考虑水平双向地震作用后,动水压力作用对地基-桩基础-桥墩地震响应的影响有所增大。  4、考虑不同土性与下部结构对动水压力作用的影响,主要研究参数有:土体弹性模量;第一层软土层厚度;软硬夹层位置;桩长径比。结果表明:(1)土体弹性模量不同时,动水压力作用对桥墩的地震响应影响差别很大,当土体较软时,动水压力作用对桥墩地震响应的影响较小;(2)当第一层软土层厚度较大时,动水压力作用对桥墩地震响应的增幅作用越小,随着第一层软土层厚度增大,动水压力作用可能会降低桥墩的地震响应;(3)当土层中软硬夹层所处位置不同时,动水压力作用对桥墩地震响应的影响有所不同:对于软夹层,在土层中越深,动水压力作用对桥墩的地震响应影响越大,而对于硬夹层则刚好相反;(4)当桩截面直径越大,即桩长径比越小时,动水压力作用对桥墩地震响应的影响越大。可见当深水桥墩所处场地土性不同时,动水压力作用对结构的地震响应影响有较大差别,因此在深水桥梁抗震设计时,建议先做好场地勘察工作。
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