地震作用下深水桥梁墩-水耦合振动研究

本项目主要研究地震作用下库区深水桥梁动水压力的计算问题。根据项目计划书中的研究要点，对正方形、矩形、圆端形、椭圆形桥墩动水压力半解析半数值表达式进行了研究；对复杂截面形状桥墩动水压力的数值计算方法进行了研究；并且研究了动水压力的影响因素：结构弹性振动、自由表面重力波、水的可压缩性等；另外还对基于辐射波浪理论的圆形桥墩、矩形桥墩动水压力表达式进行了简化研究。上述研究已经得到较好的执行，并取得了相应的研究成果： 1）提出了基于辐射波浪法和流体单元法的一种新的动水压力计算方法：混合法，并利用该方法得到了正方形桥墩和矩形桥墩动水压力半解析半数值表达式。 2）根据一阶频率降低率与附加质量的关系，提出了一种计算动水附加质量的方法：附加质量比法。并用该方法得到了圆端形桥墩、椭圆形桥墩动水压力表达式。另外，该方法也适用于其它复杂截面动水压力表达式的求解。 3）对流体单元法（Solid45单元模拟桥墩，Fluid30单元模拟流体）进行了改进，简化了流体域边界、提出了合理的流体域范围以及网格划分精度，使得流体单元法的建模复杂程度降低，计算效率和适用性提高。利用改进后的流体单元法，对规则、复杂截面形状桥墩动水压力进行了计算，并对混合法、附加质量比法计算结果提供验证，结果表示：研究中提出的两种新方法具有相当高的计算效率和较好的精度。 4）对动水压力影响因素的研究结果表明：地震作用下，弹性振动引起的附加质量与刚体运动引起的附加质量近似相等；一般情况下，自由表面重力波对动水压力的影响很小，可以忽略；水的可压缩性对动水压力会产生影响，但是影响很小，在计算过程中可忽略。 5）基于辐射波浪理论的圆形桥墩外域水、内域水动水压力表达式，以及矩形桥墩外域水动水压力表达式极其复杂，难以在实际工程中应用。研究中对上述表达式进行了简化研究，提出了相应的简化表达式。对比结果表明：简化后的表达式具有较好的精度。 2100433B

我国建设的深水桥梁多处于地震多发区，地震作用下深水桥梁墩-水耦合振动的研究很少，相关抗震设计规范不完善，急需在该方面展开深入研究。本项目在前期研究的基础上，基于辐射波浪理论，推导多边形、圆端形、椭圆形桥墩附加动水压力半解析解计算方法，采用ANSYS WORKBENCH ANSYS CFX ANSYS Mechanical对复杂几何形状桥墩附加动水压力进行数值计算。并在此基础上，对现有计算程序进行二次开发，研制专门针对墩-水耦合附加动水压力数值计算的软件，并采用该软件对附加动水压力的影响因素，如自由表面重力波等进行分析。利用分析结果，并参考各国附加动水压力的相关规范，对规则几何形状桥墩附加动水压力半解析计算方法进行简化，提出适用于工程的合理、高效的简便计算方法。该方面的研究将进一步完善墩-水耦合振动理论，并对我国桥梁抗震设计、桥梁抗震规范的制定具有重要的参考价值。

我国建设的深水桥梁多处于地震多发区，地震作用下深水桥梁墩-水耦合振动的研究很少，相关抗震设计规范不完善,急需开展研究。前期研究发现，深水桥梁抗震计算模式中存在问题：完全使用有限元法，存在效率不高和不易收敛；使用传统的半解析半数值解法，建模时对桥梁的过度简化，导致精度不高。本项目拟研究一种新的地震作用下桥墩墩-水耦合作用数值计算模式：基于辐射波浪理论，进一步完善圆形和矩形桥墩的动水应力解析解，并推导或拟合多边形和任意截面桥墩的动水应力表达式；从表达式中提取附加质量、附加阻尼和附加刚度，建立相应截面类型的墩-水耦合效应单元；采用有限元软件建立未简化桥梁的模型，并在模型上生成建立的墩-水耦合效应单元来模拟桥墩与水的耦合作用，后续计算和后处理仍采用有限元软件进行。该计算模式将寻求计算效率和精度较好的结合。该方面的研究将进一步完善墩-水耦合振动理论，并能在我国深水桥梁抗震计算中发挥重要作用。

西部山区库区有不少的深水大跨桥梁，而这些地方多是地震高发区，地震作用下桥墩受到的动水压力不可忽视。目前相关规范中动水压力计算的条文还不完善，亟需深入研究。现有的计算方法中，解析法适用范围有限，以商业软件为代表的纯数值计算方法建模复杂且计算效率低甚至不收敛。本项目在对现有计算方法归纳总结的基础上，面向工程应用，研究地震作用下考虑动水压力时深水桥梁地震影响的便捷计算方法。 按照项目计划书，对圆形桥墩、正方形桥墩、矩形桥墩、椭圆形桥墩、圆端形桥墩以及任意截面形状桥墩动水压力进行研究，提取出附加质量、附加阻尼表达式，形成相应的质量、阻尼单元构造有水时结构振动控制方程，并在APDL中编制相应的计算程序，计算深水桥梁的动力特性和动力响应。并进行了工程应用研究，开展了小型墩-水耦合振动台试验。主要取得了以下成果： 1）对工程中常用的动水压力计算方法进行了对比研究，得出了各自的优缺点和应用范围。 2）针对传统Morison方程不能计算空心桥墩内域水动水压力的缺点，提出了能同时考虑空心桥墩内域水、外域水动水压力的扩展Morison方程。 3）基于辐射波浪法的动水压力表达式繁冗难以计算，在matlab中编制了计算程序，为该表达式的简化提供支持。 4）从动水压力表达式中提取附加质量、附加阻尼，构造结构振动控制方程，并在APDL中编制了动力特性和动力响应计算程序。 5）对Morison方程中矩形桥墩动水压力惯性力系数 的离散值进行了拟合，得到了不同长宽比矩形桥墩惯性力系数取值表达式。 6）利用混合法，通过编程迭代计算和曲线拟合，得到了正方形桥墩、长方形桥墩附加质量计算表达式。 7）推导了频率降低率与附加质量的关系，用APDL编程在ANSYS中计算附加质量，再进行数值拟合得到附加质量。用该方法得到了任意截面形状桥墩的附加质量。 8）将本项目中得到附加质量计算方法、结构动力响应计算程序用于工程实际。通过对比，表明本研究提出的计算方法、计算程序的正确性，以及方便快捷的优点。 9）完成了小型墩-水耦合振动台试验，获得了部分有益数据，可以对本项目提出的数值计算方法进行部分验证 2100433B

《耦合地震作用下结构振动控制与优化》系统地总结和阐述了土木工程结构被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制理论、方法、技术、系统和工程应用的主要研究成果，并主要论述了耦合地震作用下结构振动控制的结构计算分析与结构参数与控制装置布局的优化设计。

本书可供从事土木工程、水利工程、材料科学与工程、力学研究、设计与制造等专业的研究生和高年级本科生作学习参考书。