跨海连续梁桥浪-震耦合分析及减震控制研究

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波浪对跨海桥梁桥墩的作用主要有波浪激发的入射波浪力、绕射波浪力和由水-墩相互作用产生的辐射波浪力。地震作用下大型跨海桥梁将同时受到地震和波浪的耦合作用,荷载环境极其复杂。随着跨海桥梁跨径越来越大,上部结构也越来越轻,从而导致结构自身刚度越来越小,阻尼越来越低,结构对环境动力荷载的作用也越来越敏感。跨海桥梁一旦发生破坏修复代价和难度极大,海面以下桥墩甚至根本无法维修。为避免地震引起桥墩延性损伤,采用减震控制技术是保证其安全性的最佳选择。因此有必要开展地震和波浪耦合作用下跨海桥梁的地震响应和相应减震控制方面的研究。本文主要研究内容如下:(1)基于辐射波浪理论推导了跨海桥梁水中圆形截面空心桥墩内外域动水压力计算公式,建立了考虑内外域动水压力作用的桥梁地震动方程。同时结合辐射波理论,将文中推导的内域水动水附加质量速度势函数应用于Chopra公式,建立了新的空心墩内域水动水附加质量的计算公式,结合流体动力学(CFD)方法对推导的动水压力公式进行了验证,在此基础上研究了动水压力随桥墩淹没水深、直径等参数变化时的分布规律,为工程精确简化计算提供相关的理论支撑。(2)基于带集中参数的分布参数模型结合Euler梁理论,提出了深水跨海隔震连续梁桥“桥墩-质量”分析模型,推导了相应的频率方程、墩身分布参数和墩顶集中参数有阻尼运动方程,利用正交条件对运动方程进行解耦,提出改进的地震响应分析的振型叠加法。通过与SAP2000计算结果对比验证该方法的正确性。在此基础上研究动水压力及水深变化对桥梁减震性能的影响,可为深水跨海连续梁桥隔震的简化计算提供新途径。(3)根据桥墩迎水面尺寸大小,分别采用Morison方程和绕射波浪理论建立波浪作用下跨海桥梁动力响应分析模型。以某跨海桥梁非通航孔连续梁(3×85m)为实例,建立考虑波浪力和地震耦合作用的桥梁结构有限元分析模型,采用MATLAB软件编制了相应的平面杆系结构分析程序。在此基础上研究了地震与波浪共同作用不同于单独地震和波浪作用叠加的耦合特性,同时研究了波浪及地震和波浪共同作用下桥梁结构的动力响应规律。(4)针对跨海连续梁桥减震控制,建立了设置黏滞阻尼器的桥梁结构运动方程和浪—震耦合作用下桥梁结构减震控制的状态方程。为提高黏滞阻尼器参数优化的工作效率,结合黏滞阻尼器等效线性化公式和Clough-Penzien谱滤波状态方程,利用随机响应直接求解的Lyapunov方程,提出了以墩顶位移方差最小为目标的黏滞阻尼器参数随机优化方法。采用所提方法进行了实际工程的阻尼器参数优化,并利用参数敏感性分析方法进行了对比验证。根据优化得到的阻尼器参数,研究了波浪和地震共同作用下桥梁结构的黏滞阻尼减震性能。结果表明,提出的随机优化方法和参数敏感性分析方法得到的优化结果吻合良好;在进行跨海桥梁的减震设计中,考虑浪—震耦合作用是必要的。
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