水位变化对水淹拱脚大跨度拱桥动力响应的影响分析.docx

? ? 水位变化对水淹拱脚大跨度拱桥动力响应的影响分析 ? ? 邓伟强 (湖南省益阳公路桥梁建设有限公司, 湖南 益阳 413000) 0 引言 随着我国交通基础设施在内陆山区的不断建设，钢筋混凝土拱桥以其跨越能力大、受力条件合理、一体性强以及对河流通航能力影响较小等特点成为了众多桥型方案中的优选方案。与普通跨高山峡谷钢筋混凝土拱桥不同，受库区蓄水的影响，跨水库区钢筋混凝土拱桥拱脚处拱圈存在被水体淹没的情况，水体与拱圈间的流固耦合相互作用会显著改变桥梁结构的动力特性[1]，因此，研究水体与拱圈流固耦合相互作用机理，分析考虑流固耦合效应下的大跨度钢筋混凝土拱桥地震响应规律具有十分重要的意义。 水体与桥梁结构流固耦合研究方面，余君宇等[2]为研究水位变化对深水大跨刚构桥抗震性能的影响，基于流固耦合理论分析了桥墩在无水、正常蓄水位和汛期限制水位的动力响应；江辉等[3]通过建立波浪、海流及地震共同作用的流固耦合模型，讨论了流体参数对深水桥墩地震响应的影响规律；郭庆康[4]对大坝库区深水桥梁高墩的流固耦合效应展开研究，建立了试验及数值分析模型，探讨了大跨桥梁在碰撞效应下的地震响应；吴安杰等[5]采用ANSYS-CFX软件建立了波流作用下深水桥梁的数值模型，得到了水深与波流对桥梁地震响应的影响规律。 拱桥的地震响应研究方面，张永亮等[6]对某上承式铁路钢桁架拱桥建立了SAP2000模型，计算其在多维激励下的空间地震响应，确定了结构内力的分布规律；吴玉华等[7]对三维激励下的钢管混凝土拱桥展开研究，探讨了几何非线性、材料非线性等因素对拱桥地震响应的影响；梁正裕等[8]在考虑双非线性影响的基础上对某大跨度上承式钢拱桥的地震响应进行了计算，并给出了避免拱脚截面局部失稳的设计建议；户东阳等[9]基于ANSYS建立了某特大拱桥的空间有限元模型，分析了行波效应下该桥梁的地震响应。 综上所述，目前对于跨库区大跨度钢筋混凝土拱桥水体与拱圈流固耦合效应的研究较少，且鲜有学者分析流固耦合效应对拱桥结构地震响应的影响，基于此，本文基于改进的Morison方程推导了考虑水体-拱圈流固耦合效应下的结构运动方程，以某库区大跨度钢筋混凝土拱桥为工程背景，通过Matlab将结构进行离散化编程计算，并与ANSYS有限元模拟的地震响应进行对比分析，探讨了在水库不同蓄水状态下的拱桥结构地震响应，同时分析了流固耦合效应对不同拱圈节段地震响应的影响，对库区大跨度拱桥的地震响应研究具有一定的实际意义。 1 流固耦合系统运动方程及求解 1.1 基于Morison方程的动水压力计算 Morison方程是莫里森等人于1950年提出的一个关于柱体在不同水深处所受波浪力的方程式，其基本原理为对沿柱体不同水深处的波浪力进行积分，得到波浪力方程。传统Morison方程将柱体视为刚体，且假定柱体在水中不影响波浪运动，改进后的Morison方程对弹性柱体进行修正，重新定义了方程形式。Morison方程指出，水体对结构的作用主要表现为对结构的惯性力和阻力作用，修正后的Morison方程对柱体动水压力的计算如式(1)～式(3)所示： FM=fi+fd (1) (2) (3) 拱圈与普通柱体不同，其内部为空心矩形，拱圈内部区域的动水压力对拱圈内壁的影响不可忽略。由于拱圈排水口较小，地震作用下可近似认为拱圈内部形成封闭空间，水体与拱圈一起发生耦合振动，此时设拱圈内水体所受的附加惯性力为fn，fn由惯性力公式可得,计算如式(4)所示[10]： (4) 式中：ρ为液体密度；VW为拱圈内水体体积。 由此可以推出考虑拱圈内部水体与结构耦合振动的动水压力计算公式： (5) (6) (7) (8) 目前一般将非圆形截面结构换算为圆形截面结构进行动水压力的计算，根据文献[11]中给出的矩形截面柱体动水压力换算方法，换算系数Kc如式(9)所示： Kc=0.947 32+ (9) 式中：D为垂直相对运动方向的拱圈截面长；B为平行于相对运动方向的拱圈截面长。 1.2 拱圈-水体耦合振动方程及求解 根据修正Morison方程对拱圈型截面动水压力的计算推导，忽略动水附加阻尼对结构运动的影响[12]，建立拱圈在水体淹没下的结构运动平衡方程如式(10)所示： (10) 采用Newmark-β法对结构运动方程进行求解,可得式(11)、式(12)： (11) 式中：γ和β分别为Newmark-β法的积分精度和稳定性系数。 联立式(10)、式(11)可得： (12) (13) 联立式(12)、式(13)可解出xt+Δt： (14) 2 工程算例 2.1 工程概况 本文以某跨水库区大跨度悬臂浇筑钢筋混凝土拱桥为工程背景，桥梁沿东西向建立，主桥拱圈为等高悬链线钢筋混凝土箱型梁结构，跨径240 m，净高40 m，拱轴系数m=1.85。拱圈