大跨度大断面拱式倒虹吸桥架的地震响应分析.pdf

Jun.Earthquake Resistant Engineeriand Retrofitting2023D0I:10.16226/1002-8412.2023.03.016ssn1002-8412（2 0 2 3)0 3-0 12 6-0 9文章编号Jun.22023Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023年6 月Vol.45,No.3第45卷第3期工程抗震与加固改造大跨度大断面拱式倒虹吸桥架的地震响应分析周鼎，李睿，崔又文1，李晓章，罗仕庭（1.昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明6 50 50 0；2.云南省昭通市昭阳区水务局，云南昭通6 57 0 0 0；3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明6 50 50 0）【提要侄倒虹吸桥架由于倒虹吸管道内水体质量的影响，而有“头重脚轻”的受力特点，同时多管式倒虹吸桥架也会出现水体偏载的运营工况，在地震荷载作用下，从而导致桥架结构在地震波加速度的影响下会产生较大的位移，对结构受力非常不利，严重时会导致混凝土结构开裂、破坏，因此分析其在地震作用下的动力响应至关重要。本文以滇中引水工程中的小鱼坝倒虹吸桥架为例，使用Ansys软件建立通过Westergard附加质量法考虑流固耦合的有限元模型，研究其地震作用下的动力特性。结果表明，倒虹吸桥架结构由于跨径较大，其横向刚度和顺桥向的扭转刚度较小，地震作用时桥架结构跨中横向和竖向动力响应均较大，不利于抗震，并得出拱脚、1/4截面、排架底部等下部支承结构受力最不利。对于多管倒虹吸桥架结构的抗震计算，可直接采用最大设计流量工况，而不用考虑水体偏载时的工况，地震作用下的动力响应还由管内水体总质量占主导，水体偏载效应是影响桥架结构地震动响应的次要因素。关键词流固耦合；地震响应；数值模拟；水体偏载；附加质量中图分类号TV672*.5;TV312文献标识码ASeismic response analysis of large-span large-section arch inverted siphon bridge frameZhou Ding-hong,Li Ruil,Cui You-wen-2,Li Xiao-zhang,Luo Shi-ting(1.The Fauly of Civil Engneering andMechanics,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.Zhaoyang District Water Affairs Bureau ofYunnan Province,Zhaotong 657000,China;3.Kunming Engineering Corporation Limited,Power China,Kunming 650500,China)Abstract:The inverted siphon bridge has the force characteristics of head-heavy due to the mass of water in the inverted siphonpipe,and the multi-pipe inverted siphon bridge also has the operating condition of water bias load,which leads to large displacement ofthe bridge structure under the influence of seismic acceleration,which is very unfavorable to the structural force.In serious cases,itwill lead to cracking and damage of the concrete structure,so it is important to analyze its dynamic response under seismic action.Inthis paper,the dynamic response of the inverted siphon bridge frame of the Xiaoyu Dam in the Yunnan Central Diversion Project isstudied by using Ansys software to build a finite element model considering the fluid-structure coupling through the Westergardadditional mass method.The results show that the transverse stiffness and torsional stiffness of the inverted siphon bridge structure aresmall due to the large span diameter,and the transverse and vertical dynamic response of the bridge structure is large in the span duringearthquake,which is not conducive to seismic resistance,and it is concluded that the lower supporting structures such as the arch foot,1/4 section,and the bottom of the row frame are the most unfavorable.For the seismic calculation of the multi-pipe inverted siphonbridge structure,the maximum design flow condition can be used directly without considering the condition of the water body bias load,the dynamic response under seismic action is also dominated by the total mass of the water body in the tube,and the water body biasload effect is a secondary factor affecting the ground vibration response of the bridge structure.Keywords:fluid-solid coupling;seismic response;numerical simulation;water body bias load;additional massE-mail:1引言收稿日期2022-02-28基金项目国家自然科学基金（5156 8 0 2 9）由于大跨度倒虹吸桥架管内充满水流，会导致自身振动特性与空管相比有很大改变，对其地震响应影响较大。当地震发生时，管内的水体与结构互2023Vol.45,No.Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting.127.周鼎，等：大跨度大断面拱式倒虹吸桥架的地震响应分析第45卷第3期相作用，而由于管内的水体质量过大，或是水体偏载运营，导致水体与结构之间的相互作用愈加明显，甚至发生破坏。我国是一个多地震的国家，地震区域活跃且频繁，而云南省更是地震频发。云南省地形复杂，且水力资源丰富，由于“滇中引水”项目的需要，不可避免地需要采用大跨度桥架结构以满足跨越高山峡谷的需要，由于其地震响应具有特殊性，为减小因地震带来经济损失，倒虹吸桥架的抗震问题研究也是势在必行。对于倒虹吸桥架结构，管内充满水体，其中水体并不会晃动，相关研究较为稀缺。林继铺等2 对普渡河倒虹吸管桥的流固耦合模态进行了试验研究，并使用了附加质量的有限元模型进行验证，结果吻合较好；李振富等3 在普渡河倒虹吸管桥模态计算基础上使用Ansys软件对其进行了地震分析；王春明4 对云南省坝虹吸大桥进行了抗震有限元分析，研究了倒虹吸桥梁的减隔震机理，但并未提及管内水体采用何种简化；曾蜜蜜等【5 使用Midas/Civil软件研究了大跨度斜拉管桥的动力特性，水体采用的是附加质量模拟方法；胡蕾6 使用附加质量法对大跨度倒虹吸明钢管结构进行了考虑地震效应的地震分析；胡蕾7 还对倒虹吸明钢管的地震作用分别进行了基于附加质量法和流固耦合法的分析，得出水体质量是决定动力响应的主要因素；王占8 使用Westergard公式模拟了1m单位长度的倒虹吸混凝土管道内壁的附加质量，并进行了动力模态分析。目前对倒虹吸管道地震作用下的水体模拟主要是采用附加质量法，而相关规范9 也暂无倒虹吸明钢管地震作用下的水体模拟说明。为了探究地震时倒虹吸桥架的动力响应，本文以滇中引水工程中的小鱼坝倒虹吸桥架为依托，使用Ansys软件建立通过附加质量法考虑流固耦合的有限元模型，并根据其所在场地的地震动参数选取了2 条天然地震波、拟合了一条人工地震波对其进行地震动力响应分析，分析其在考虑水体偏载时的地震响应规律，为以后类似的工程结构提供参考，也为以后的维护提供借鉴2工程概况小鱼坝倒虹吸桥架底部跨河管段采用排架拱桥方案，桥架总长150 m。输水钢管采用3根内径4.2m的压力钢管，钢管壁厚为32 mm，支承环采用厚度32 mm，高度2 50 mm的下支承式支承环，支承间距为10 m。每根钢管在左侧镇墩和右侧镇墩处均设置一道波纹管伸缩节，仅轴向可伸缩，伸缩轴向刚度不大于35kN/mm。拱桥基础为弱风化基岩。两岸支墩基础基本置于弱风化与强风化基岩分界面。具体布置如图1所示。水流入口1F23广475水流出口150001000,1000.1000.1000.1000.1000.1000.1000.1000.1000.1000.1000.1000.1000,1000出乙8 9 1D1D2b3D4?10000L-1L2L3L-4L5图1小鱼坝倒虹吸布置图（单位：cm）Fig.1 Inverted siphon arrangement diagram ofXiaoyu Dam(marked dimensions in cm)为了对倒虹吸桥架结构的流固耦合动力响应进行分析，需建立实际工程的有限元模型。本文在计算结构模态以及下文的动力分析时采用流固耦合方法。流固耦合分析固体域有限元计算模型采用Spaceclaim进行建模，导人AnsysMechnical中划分网格后，结构网格如图2 所示，模型中管道、支承环采用Solid186实体单元，桥架架构采用beam188实体单元，共计156 511个单元。建模所采用的坐标系与模型的对应关系为：顺桥向（水流方向）、横桥向、竖向3个方向分别为X轴、Y轴、Z轴。图2固体域计算模型Fig.2Solid domain calculation model为方便描述，将倒虹吸管道沿着Y坐标轴正向依次编号为1#管、2#管、3#管，排架立柱沿着X坐标轴正向依次编号为1#14#排架，为全面考虑选取对比分析使用的受力分析特征点，布置如图3所示。3地震波的选取及输入结合小鱼坝倒虹吸桥址所在的实际地质条件，取场地类别I类，抗震设防烈度为VI度，根据中国地震动反应谱特征周期区划图和中国地震动参数区划图（GB18306-2015）【10 可知特征周期，T,=0.4s,地震动峰值加速度A=0.2g。Jun.Earthquake Resistant