随着我国基础建设重心逐步往西部地区推进,许多跨越山区谷地、大坝水库的深水桥梁已经建成或已在建;而我国西部因为山高水急、处于地震带等较差的地理条件,导致该区域深水桥梁的设计处于困难与挑战并存的境地。近些年针对流固耦合的研究表明,水的作用会对结构的地震响应带来不可忽视的影响,然而国际上针对深水桥梁的流固耦合抗震研究不多,我国在该方面的研究更是处于初级阶段。面对该事实,本文结合已有研究基础,先对流固耦合作用下深水桥梁空心高墩结构进行了试验及数值模拟分析;然后,在试验及数值结果的基础上,进行大跨度深水高墩桥梁的流固耦合抗震分析、流固耦合碰撞及流固耦合墩柱非线性地震响应分析,得到流固耦合效应影响下,结构地震响应的一般性变化规律。本文的主要研究工作如下所述:(1)总结深水桥梁的流固耦合问题研究现状,了解大跨桥梁的碰撞效应及墩体非线性状态下的地震响应研究,对本文研究内容进行深入分析和尝试,为进一步的研究工作打好基础。(2)设计水箱以及群桩基础-空心高墩结构试验模型,进行深水空心墩缩尺模型的水箱模态试验;考虑仅外水、仅内水、内外水三种工况并考虑墩顶质量0kg、11.4kg、23.4kg及31.7kg,测试了不同组合工况下结构固有振动频率随水位的变化情况,得到了流固耦合效应对结构振动特性影响的一般规律;除此之外,还建立了试验模型在不同工况下的三维数值模型,通过数值方法与试验相结合,验证了数值方法和流固耦合作用对结构影响规律的可靠性,比较结果表明,数值计算结果与试验结果拟合效果很好,故认为数值方法具备较高可行性。(3)基于验证的数值方法,建立深水桥梁主桥跨及左右各一联引桥跨的全桥数值模型,并对采用的建模手段进行了验证;接着,计算该模型在流固耦合作用下的动力特性及动力响应,得到随水位增大,流固耦合作用会增大结构地震响应的规律,特别是梁体间相对位移在流固耦合作用下的扩大会导致碰撞作用的发生;然后,基于流固耦合效应增加了梁之间相对位移的结论,考虑梁体间的碰撞作用,对全桥模型进行不同地震波及不同流固耦合工况下的碰撞地震响应分析,包括流固耦合异相振动、仅碰撞作用下的地震响应以及水与碰撞共同作用下的地震响应,得到了考虑碰撞情况的桥梁整体模型流固耦合地震响应的变化规律。结果表明,随水位增大的主-引桥振动差异是导致相对位移增大的重要因素;相比碰撞,流固耦合作用是增大主桥墩地震响应的主要方面,碰撞则对主桥墩墩底受力有利,但碰撞作用会增加右侧引桥跨梁体纵向位移,增加落梁灾害发生的可能性;空心墩内水的存在会进一步增加流固耦合效应对地震响应的影响。(4)同样基于验证的数值方法,考虑强震作用下,墩体由于损伤而出现屈服的情况,用双线性弯矩-曲率梁单元模拟桥墩底部的塑性区,建立了全桥结构非线性有限元模型,分析了主桥墩在加载不同地震动情况下纵向与横向流固耦合非线性地震响应随水位的变化规律,同时分析了主桥墩流固耦合与非线性作用下两侧过渡墩的地震响应变化情况。计算结果表明,随着水位的升高,深水空心墩的地震响应总体上是持续增长的,尤其是墩底剪力的增幅更加显著;水位较大情况下深水桥墩墩底弯矩响应较大,桥墩更容易发生屈服,桥墩底部屈服后,墩底截面的曲率延性需求迅速增大,桥墩的损伤明显增大;内水的存在进一步增大深水桥墩对曲率的需求,导致桥墩损伤加重;深水桥墩-水耦合作用还会增大桥梁其它结构的地震响应,如主梁梁端位移、主-引桥相对位移以及过渡墩地震响应等。