深水组合桥墩地震响应及抗震性能研究

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1、深水组合桥墩地震响应及抗震性能研究ResearchofSeismicResponseandSeismicBehaviorofDeep-waterConcrete-filledSteelTubularBridgePiers工程领域：建筑与土木工程作者姓名：李晨曦指导教师：赵秋红教授企业导师：王湘安高级工程师天津大学建筑工程学院二零一七年十二月摘要随着我国经济发展及交通需求，跨海、跨江等深水桥梁不断涌现。由于墩体位于深水中，地震激励下水-桥墩存在动力相互作用，产生的动水压力将影响桥墩的动力特性及地震响应。地震激励下，传统深水钢筋混凝土桥墩易

2、发生脆性破坏，且难以修复；而钢管混凝土组合桥墩由于承载力高、延性好等优点，逐渐应用于桥梁中，对于提高深水桥梁的安全性具有重要意义。因此，本文对深水组合桥墩地震响应及抗震性能、墩水耦合简化分析方法适用性进行研究，主要研究工作和创新成果如下：（1）分析了动水压力对不同类型桥墩地震响应的影响。以钢筋混凝土桥墩、钢管混凝土组合桥墩、中空夹层钢管混凝土组合桥墩为研究对象，对不同水深下桥墩进行模态分析。并通过流固耦合数值分析方法，考虑地震波类型、水深等因素，对深水桥墩进行地震响应分析。结果表明有水时桥墩各阶自振频率均降低，且降低幅度随着水深的增加而

3、增大，桥墩高阶频率受水的影响程度更大。动水压力增大了桥墩地震响应，桥墩刚度越小，自重越轻，其地震响应受水的影响更大。多遇地震下，实心桥墩水深与墩高比超过0.6时，或空心桥墩水深与墩高比超过0.4时，动水压力对地震响应的影响幅度超10%，不可忽视。（2）分析了强震作用下深水组合桥墩弹塑性非线性动力时程特性，及Morison方程附加质量法在深水组合桥墩弹塑性分析中的适用性。分别采用流固耦合数值法及Morison方程附加质量法对不同长细比、不同水深的组合桥墩进行分析及比较。结果表明：长细比越大，Morison方程精度越高。当长细比大于53时，

4、基于Morison方程的附加质量法的误差在10%以内，可满足精度要求。水深的变化对Morison法精度影响较小。（3）分析了动水压力对实心钢管混凝土组合桥墩及中空夹层钢管混凝土组合桥墩抗震性能的影响。建立基于Morison附加质量法的半解析半数值法有限元模型，选取远场地震及近场地震，分别对无水、有水工况下的实心钢管混凝土组合桥墩和中空夹层钢管混凝土组合桥墩进行IDA分析。研究表明：桥墩在水中振动时更易破坏，有水时桥墩达到极限位移角所对应的地震动峰值加速度要比无水时低0.1g~0.2g。近场地震作用下，桥墩的位移角更大，且受动水压力的影响

5、更大。相比于实心桥墩，自重较轻的空心桥墩在无水条件下地震响应更小，但由于其更易受到动水压力的影响，在有水条件下其与实心桥墩的地震响应相似。关键词：深水桥墩，地震响应，流固耦合，钢管混凝土组合桥墩，半解析半数值法，Morison方程，附加质量法IABSTRACTWiththeeconomicdevelopmentandincreasingtrafficdemand,thenumberofdeep-waterbridgehasincreasedsteadily,includingbridgesacrosstheseaoracrossther

6、iver.Asthepierslocatedinthedeepwater,underearthquakeexcitationtherewillbedynamicinteractionexistingbetweenthebridgepiersandthesurroundingwater,resultinginhydrodynamicpressurethatwouldaffectthedynamiccharacteristicsandseismicresponseofthebridgepiers.Underearthquakeexcitat

7、ion,traditionalreinforcedconcrete(RC)piersinclinetohavebrittlefailure,whichishardtorepair;whileconcretefilledsteeltubular(CFST)piers,duetotheirhighbearingcapacityandductility,havegraduallybeenappliedinbridgeprojects,whichisofgreatsignificancetoimprovethesafetyofbridges.I

8、nthispaper,seismicresponseandseismicperformanceofdeep-watercompositebridgepiersarestudied,andtheapplica