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桥梁群桩基础-水耦合系统动力特性数值模拟

原文作者:
  魏凯,伍勇吉,徐 灿,庞于涛,袁万城
发布时间:
  2014-08-13
来    源:
  同济大学土木工程防灾国家重点实验室
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摘 要:该文首先介绍了基于势流体单元的结构-水相互作用完全数值分析方法,并对基于该方法的桥梁群桩基础-水耦合系统动力特性分析的实现及建模进行了研究。以某深水桥梁群桩基础为工程背景,利用有限元分析软件ADINA 分别建立了结构的三维实体单元和水体的势流体单元模型,分析了结构在不同水深条件下的动力特性。基于简化模型,通过参数分析研究了桩基、承台的设计与流固耦合效应间的关系。主要结论有利用完全数值分析方法进行结构-水耦合系统的动力特性分析是有效的,但分析结果收敛性受流固边界两侧网格尺寸控制;水体-结构相互作用对结构动力特性有明显影响,水深越大,影响越强;桩基、承台的设计都会对水-结构相互作用产生影响,通过合理设计可以减小水体对结构振动的影响。
    深水群桩基础是我国跨江海桥梁广泛采用的基础形式。但是,其抗震性能研究还有很多亟待完善的地方。其中,搞清地震作用下结构-水相互作用对群桩基础的影响是精确确定结构动力响应的前提。目前对结构-水耦合作用的力学分析方法大致分3 类:解析法、解析-数值法和完全数值法。解析法主要采用特征函数扩展法来研究水对结构地震响应的影响, 一般能得到响应的封闭解, 其中Morrison[1]针对特征尺寸小于水流波长的圆柱体,推导出了目前被各国规范广泛采用的莫里森方程;MacCamy[2]等提出线性绕射理论,给出了大型水下圆柱体的一致波浪力表达;Bhatta 和Rahman[3]研究了竖直漂浮圆柱体的散射和辐射问题,推导出波浪力、附加质量和附加阻尼的解析解。但是解析法多是将结构简化为圆柱体进行研究,无法对复杂结构进行精确求解。解析-数值方法综合了解析法和有限元方法的特点,对复杂结构离散为规则体,再将解析法计算得到的动水附加质量和附加阻尼集中到结构相应离散点上。我国《公路桥梁抗震设计细则》[4](JTG/T B02-01-2008)基于Morrison 方程给出了作用于桥墩上的地震动水压力解析-数值简化计算公式;高永[5]根据Bhatta 和Rahman 的研究成果给出了作用于承台的动水力简化分析方法。解析-数值方法大大降低了计算的复杂程度,但是解的准确性受到近似及简化的限制。完全数值法[6]是一种基于多介质耦合建模技术,对结构和水体进行精确模拟和分析的数值手段,可用来分析各类复杂的流固耦合问题。但是,作为新兴手段,在我国应用目前还只限于简单桥墩与水体的耦合作用研究。因
此,利用完全数值方法研究桥梁群桩基础-水耦合系统动力特性,不仅对提高长大桥梁群桩基础的地震安全性具有重要指导意义,还可以为此类问题的求解提供新的技术手段。本文首先介绍了基于多介质耦合建模技术的结构-水相互作用完全数值分析方法,讨论了在ADINA 软件中进行建模分析的相关技术细节,然后以某深水桥梁群桩基础为背景,利用ADINA 分别对结构和水体进行了有限元多介质耦合建模,分析比较了结构在不同水深下的动力特性,并针对单桩模型进行了参数分析及必要的讨论。
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