基于流固耦合的深水斜拉桥桥塔抗震性能试验研究

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当今世界,随着科学技术的进步以及经济的飞速发展,各式各样的桥梁工程在交通运输中发挥着不可替代的作用。而今,在我国的桥梁抗震领域,桥梁结构在地震和动水压力共同作用这一问题是此领域中的一大难点。本论文以双河斜拉桥为依托工程,开展了双河斜拉桥桥塔模型振动台试验,并在此基础上,对双河斜拉桥桥塔有限元模型进行了数值模拟,研究了不同水深状态下桥塔模型在地震作用下的动力特性及其动力响应,有助于了解动水压力和桥塔模型之间的相互作用关系,为水体与桥塔之间流固耦合效应在实际工程的应用提供一定的参考。本文的主要工作如下:(1)依托位于白鹤滩水电站深水库区的双河斜拉桥,按照相似理论设计缩尺为1:50的斜拉桥桥塔模型,在0.0m(无水)、0.3m、0.9m和1.5m水深状态下对桥塔模型进行了振动台试验。首先,从试验模型、试验设备和试验方案几方面详细阐述了不同水深状态下双河斜拉桥桥塔模型振动台试验的全过程;然后,对不同水深状态下的桥塔模型试验数据进行了分析研究。振动台试验中,分别沿双河斜拉桥桥塔模型纵桥向+2/3竖向和横桥向+2/3竖向输入缩尺E1地震波记录地震激励,测定了桥塔模型在不同水深状态下的动力响应,分析了桥塔模型在不同水深下的动力特性、塔顶位移和塔底应变(应力)的变化规律。结果表明,由于桥塔模型周围水体的存在,桥塔模型的自振频率减小,自振周期增大,结构周围水体的存在会改变结构的动力特性;桥塔模型周围水体的存在还会影响桥塔模型的动力响应,相对于0.0m水深(无水)状态,1.5m水深状态下纵桥向和横桥向的位移峰值分别增大了3.72%和9.20%;1.5m水深状态下纵桥向和横桥向的应变(应力)峰值分别增大了39.70%和14.69%。模型试验还测定了地震激励下桥塔模型周围水体对桥塔模型的动水圧力分布情况。(2)基于双河斜拉桥桥塔模型振动台试验工况,对水深0.0m(无水)、0.3m、0.9m和1.5m状态下的双河斜拉桥桥塔有限元模型进行数值模拟分析。分别沿双河斜拉桥桥塔有限元模型纵桥向+2/3竖向和横桥向+2/3竖向输入缩尺E1地震波记录地震激励,研究动水压力对于双河斜拉桥有限元模型的动力特性及其动力响应的影响;然后,将数值模拟结果与模型振动台试验结果进行对比,验证模型振动台试验结果的正确性。比对结果表明,数值模拟结果与模型振动台试验结果基本吻合,在水深0.0m(无水)状态下,位移峰值的平均误差为2.4%,应力峰值的平均误差为7.5%,总的来说,这是合理的。
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