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原文传递地震-波浪联合作用下连续刚构桥的动力响应分析

论文题名：	地震-波浪联合作用下连续刚构桥的动力响应分析
关键词：	连续刚构桥;地震-波浪联合作用;SSI效应;斜交角;荷载相位差;行波效应
摘要：	相比陆地桥梁，跨海桥梁不仅会受到地震作用，而且会受到不可忽视的波浪作用。当桥墩位于海底软弱土层上时，地基土-桩基之间的相互作用可能在一定程度上改变桥梁的固有频率，有必要在进行桥梁动力响应分析时考虑土-结构相互作用（SSI）的影响。另一方面，由于地震的偶然性和突发性，其与波浪的传播方向及起振时刻往往不能完全一致，导致作用于桥墩的地震与波浪荷载间可能存在一定的夹角及相位差，而跨海桥梁由于通航的要求往往跨度较大，桥墩不一致激励及行波效应亦可能较为明显。因此，本文首先利用ADINA有限元分析软件对桥墩进行了波浪作用下的流固耦合及响应分析，获得波浪的合力作用点位置及时程，然后采用OpenSees软件建立跨海连续刚构桥的非线性有限元模型，通过非线性p-y土弹簧模拟SSI效应，并将地震位移时程及波浪力时程分别施加于桩基及桥墩，进行非线性时程分析。系统研究了SSI效应、地震与波浪作用间的斜交角及相位差、行波效应对桥梁在地震-波浪联合作用下的非线性动力响应的影响规律。主要研究结论如下：　　（1）考虑SSI效应时，桥梁主频随桩周土体刚度的降低而降低，桩周土为软黏土时的桥梁主频相比墩底固结时降幅高达30%。地震单独作用下，相比墩底固结，考虑SSI效应且随着桩周土体刚度减小，墩顶位移逐渐增大，墩底剪力及弯矩逐渐减小。地震与波浪联合作用下，相比墩底固结，考虑SSI效应且桩周土为硬黏土时，墩底位移增大，墩底剪力及弯矩减小，且随着桩周土体刚度减小，墩顶位移、墩底剪力及弯矩逐渐增大。墩底固结时，随着波浪频率增大，桥梁动力响应无明显变化趋势，考虑SSI效应时，随着波浪频率增大，各桥梁动力响应均逐渐增大。引入波浪作用系数，以描述波浪作用对地震-波浪联合作用下桥梁动力响应的影响。墩底固结时，随着波浪频率增大，各动力响应的波浪作用系数无明显变化规律，考虑SSI效应时，各动力响应的波浪作用系数随桩周土刚度的降低，或随波浪频率、波浪高度的增加而增加。值得注意的是，当波浪频率较高时，桥梁主频随着桩周土体刚度的降低逐渐接近波浪频率，引发共振现象，动力响应激增；波浪频率为0.24Hz而桩周土为软黏土时，桥梁动力响应相比墩底固结时增加119%，而波浪作用系数高达198%。因此应考虑SSI效应的影响，并注意桩周为软弱地基的连续刚构桥在高频波浪作用下可能引发的共振现象。　　（2）地震-波浪联合作用下，桥梁动力响应明显受到地震-波浪荷载之间斜交角的影响。当地震时程顺桥向输入，斜交角在0o~180o之间变化时，桥梁动力响应的变化幅度可达49%，斜交角为180o时最高。但值得注意的是，当波浪频率与桥梁横向主频较为接近时，波浪引起的动力响应激增，整体动力响应的增幅可达417%，在斜交角为90o时最高；当波浪频率与桥梁纵向主频较为接近时，amp;nbsp;整体动力响应的增幅可达105%，在斜交角为0o或180o时最高。因此，地震-波浪联合作用下应考虑斜交角的影响，波浪力时程不仅应考虑顺桥向输入（与地震位移时程呈0o或180o夹角）工况，亦应考虑横桥向输入（与地震位移时程呈90o夹角）工况，尤其当波浪频率与桥梁纵横向主频接近时。　　（3）地震-波浪联合作用下，桥梁动力响应明显受到地震-波浪荷载之间相位差的影响。当地震时程顺桥向输入，且波浪荷载亦沿顺桥向作用时，地震与波浪之间的荷载相位差引起的桥梁动力响应的变化幅度可达39%，动力响应的峰值对应的相位差即为最不利荷载相位差，其随波浪频率的增大而减小，但波浪高度对其几乎无影响。当地震时程顺桥向输入，且波浪荷载沿横桥向作用时，地震与波浪之间的荷载相位差引起的桥梁动力响应变化幅度可达26%；对于墩顶位移和墩底弯矩，最不利荷载相位差随波浪频率的增加而降低，而对于墩底剪力，最不利荷载相位差随着波浪频率的增加而增加。　　（4）地震-波浪联合作用下，桥梁动力响应明显受到行波效应的影响。地震单独作用下，行波效应造成桥墩的不一致激励，导致不同桥墩的起振时刻及相位不同，称之为行波相位差。行波效应造成桥墩动力响应降低并呈周期性变化，当行波相位差为(2n+1)T/2时（T为桥梁一阶纵向周期）最小，当行波相位差为nT时最大，且接近桥墩一致激励的情况；主梁跨中位移及弯矩显著增加，跨中剪力减小并呈周期性变化。地震-波浪联合作用下，行波效应亦造成桥墩的不一致激励，而地震-波浪荷载之间的相位差受到行波相位差与初始荷载相位差的共同影响，桥墩动力响应不再呈周期性变化，其峰值对应的行波相位差亦无固定规律。当地震-波浪荷载之间的相位差为最不利荷载相位差时，行波效应造成桥墩动力响应的增加，较桥墩一致激励的情况增幅可达15%；主梁跨中位移及弯矩亦显著增加，而跨中剪力可能增大或降低，且不再呈周期性变化。
作者：	漆诗军
专业：	建筑与土木工程
导师：	赵秋红;王湘安
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2022