地震作用下深水橋梁墩-水耦合作用數(shù)值計(jì)算模式研究

西部山區(qū)庫(kù)區(qū)有不少的深水大跨橋梁，而這些地方多是地震高發(fā)區(qū)，地震作用下橋墩受到的動(dòng)水壓力不可忽視。目前相關(guān)規(guī)范中動(dòng)水壓力計(jì)算的條文還不完善，亟需深入研究。現(xiàn)有的計(jì)算方法中，解析法適用范圍有限，以商業(yè)軟件為代表的純數(shù)值計(jì)算方法建模復(fù)雜且計(jì)算效率低甚至不收斂。本項(xiàng)目在對(duì)現(xiàn)有計(jì)算方法歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，面向工程應(yīng)用，研究地震作用下考慮動(dòng)水壓力時(shí)深水橋梁地震影響的便捷計(jì)算方法。 按照項(xiàng)目計(jì)劃書，對(duì)圓形橋墩、正方形橋墩、矩形橋墩、橢圓形橋墩、圓端形橋墩以及任意截面形狀橋墩動(dòng)水壓力進(jìn)行研究，提取出附加質(zhì)量、附加阻尼表達(dá)式，形成相應(yīng)的質(zhì)量、阻尼單元構(gòu)造有水時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方程，并在APDL中編制相應(yīng)的計(jì)算程序，計(jì)算深水橋梁的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)。并進(jìn)行了工程應(yīng)用研究，開展了小型墩-水耦合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。主要取得了以下成果： 1）對(duì)工程中常用的動(dòng)水壓力計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比研究，得出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍。 2）針對(duì)傳統(tǒng)Morison方程不能計(jì)算空心橋墩內(nèi)域水動(dòng)水壓力的缺點(diǎn)，提出了能同時(shí)考慮空心橋墩內(nèi)域水、外域水動(dòng)水壓力的擴(kuò)展Morison方程。 3）基于輻射波浪法的動(dòng)水壓力表達(dá)式繁冗難以計(jì)算，在matlab中編制了計(jì)算程序，為該表達(dá)式的簡(jiǎn)化提供支持。 4）從動(dòng)水壓力表達(dá)式中提取附加質(zhì)量、附加阻尼，構(gòu)造結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方程，并在APDL中編制了動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算程序。 5）對(duì)Morison方程中矩形橋墩動(dòng)水壓力慣性力系數(shù) 的離散值進(jìn)行了擬合，得到了不同長(zhǎng)寬比矩形橋墩慣性力系數(shù)取值表達(dá)式。 6）利用混合法，通過(guò)編程迭代計(jì)算和曲線擬合，得到了正方形橋墩、長(zhǎng)方形橋墩附加質(zhì)量計(jì)算表達(dá)式。 7）推導(dǎo)了頻率降低率與附加質(zhì)量的關(guān)系，用APDL編程在ANSYS中計(jì)算附加質(zhì)量，再進(jìn)行數(shù)值擬合得到附加質(zhì)量。用該方法得到了任意截面形狀橋墩的附加質(zhì)量。 8）將本項(xiàng)目中得到附加質(zhì)量計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算程序用于工程實(shí)際。通過(guò)對(duì)比，表明本研究提出的計(jì)算方法、計(jì)算程序的正確性，以及方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。 9）完成了小型墩-水耦合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，獲得了部分有益數(shù)據(jù)，可以對(duì)本項(xiàng)目提出的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行部分驗(yàn)證 2100433B

我國(guó)建設(shè)的深水橋梁多處于地震多發(fā)區(qū)，地震作用下深水橋梁墩-水耦合振動(dòng)的研究很少，相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范不完善,急需開展研究。前期研究發(fā)現(xiàn)，深水橋梁抗震計(jì)算模式中存在問題：完全使用有限元法，存在效率不高和不易收斂；使用傳統(tǒng)的半解析半數(shù)值解法，建模時(shí)對(duì)橋梁的過(guò)度簡(jiǎn)化，導(dǎo)致精度不高。本項(xiàng)目擬研究一種新的地震作用下橋墩墩-水耦合作用數(shù)值計(jì)算模式：基于輻射波浪理論，進(jìn)一步完善圓形和矩形橋墩的動(dòng)水應(yīng)力解析解，并推導(dǎo)或擬合多邊形和任意截面橋墩的動(dòng)水應(yīng)力表達(dá)式；從表達(dá)式中提取附加質(zhì)量、附加阻尼和附加剛度，建立相應(yīng)截面類型的墩-水耦合效應(yīng)單元；采用有限元軟件建立未簡(jiǎn)化橋梁的模型，并在模型上生成建立的墩-水耦合效應(yīng)單元來(lái)模擬橋墩與水的耦合作用，后續(xù)計(jì)算和后處理仍采用有限元軟件進(jìn)行。該計(jì)算模式將尋求計(jì)算效率和精度較好的結(jié)合。該方面的研究將進(jìn)一步完善墩-水耦合振動(dòng)理論，并能在我國(guó)深水橋梁抗震計(jì)算中發(fā)揮重要作用。

我國(guó)建設(shè)的深水橋梁多處于地震多發(fā)區(qū)，地震作用下深水橋梁墩-水耦合振動(dòng)的研究很少，相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范不完善，急需在該方面展開深入研究。本項(xiàng)目在前期研究的基礎(chǔ)上，基于輻射波浪理論，推導(dǎo)多邊形、圓端形、橢圓形橋墩附加動(dòng)水壓力半解析解計(jì)算方法，采用ANSYS WORKBENCH ANSYS CFX ANSYS Mechanical對(duì)復(fù)雜幾何形狀橋墩附加動(dòng)水壓力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有計(jì)算程序進(jìn)行二次開發(fā)，研制專門針對(duì)墩-水耦合附加動(dòng)水壓力數(shù)值計(jì)算的軟件，并采用該軟件對(duì)附加動(dòng)水壓力的影響因素，如自由表面重力波等進(jìn)行分析。利用分析結(jié)果，并參考各國(guó)附加動(dòng)水壓力的相關(guān)規(guī)范，對(duì)規(guī)則幾何形狀橋墩附加動(dòng)水壓力半解析計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出適用于工程的合理、高效的簡(jiǎn)便計(jì)算方法。該方面的研究將進(jìn)一步完善墩-水耦合振動(dòng)理論，并對(duì)我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)、橋梁抗震規(guī)范的制定具有重要的參考價(jià)值。

本項(xiàng)目主要研究地震作用下庫(kù)區(qū)深水橋梁動(dòng)水壓力的計(jì)算問題。根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃書中的研究要點(diǎn)，對(duì)正方形、矩形、圓端形、橢圓形橋墩動(dòng)水壓力半解析半數(shù)值表達(dá)式進(jìn)行了研究；對(duì)復(fù)雜截面形狀橋墩動(dòng)水壓力的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了研究；并且研究了動(dòng)水壓力的影響因素：結(jié)構(gòu)彈性振動(dòng)、自由表面重力波、水的可壓縮性等；另外還對(duì)基于輻射波浪理論的圓形橋墩、矩形橋墩動(dòng)水壓力表達(dá)式進(jìn)行了簡(jiǎn)化研究。上述研究已經(jīng)得到較好的執(zhí)行，并取得了相應(yīng)的研究成果： 1）提出了基于輻射波浪法和流體單元法的一種新的動(dòng)水壓力計(jì)算方法：混合法，并利用該方法得到了正方形橋墩和矩形橋墩動(dòng)水壓力半解析半數(shù)值表達(dá)式。 2）根據(jù)一階頻率降低率與附加質(zhì)量的關(guān)系，提出了一種計(jì)算動(dòng)水附加質(zhì)量的方法：附加質(zhì)量比法。并用該方法得到了圓端形橋墩、橢圓形橋墩動(dòng)水壓力表達(dá)式。另外，該方法也適用于其它復(fù)雜截面動(dòng)水壓力表達(dá)式的求解。 3）對(duì)流體單元法（Solid45單元模擬橋墩，F(xiàn)luid30單元模擬流體）進(jìn)行了改進(jìn)，簡(jiǎn)化了流體域邊界、提出了合理的流體域范圍以及網(wǎng)格劃分精度，使得流體單元法的建模復(fù)雜程度降低，計(jì)算效率和適用性提高。利用改進(jìn)后的流體單元法，對(duì)規(guī)則、復(fù)雜截面形狀橋墩動(dòng)水壓力進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)混合法、附加質(zhì)量比法計(jì)算結(jié)果提供驗(yàn)證，結(jié)果表示：研究中提出的兩種新方法具有相當(dāng)高的計(jì)算效率和較好的精度。 4）對(duì)動(dòng)水壓力影響因素的研究結(jié)果表明：地震作用下，彈性振動(dòng)引起的附加質(zhì)量與剛體運(yùn)動(dòng)引起的附加質(zhì)量近似相等；一般情況下，自由表面重力波對(duì)動(dòng)水壓力的影響很小，可以忽略；水的可壓縮性對(duì)動(dòng)水壓力會(huì)產(chǎn)生影響，但是影響很小，在計(jì)算過(guò)程中可忽略。 5）基于輻射波浪理論的圓形橋墩外域水、內(nèi)域水動(dòng)水壓力表達(dá)式，以及矩形橋墩外域水動(dòng)水壓力表達(dá)式極其復(fù)雜，難以在實(shí)際工程中應(yīng)用。研究中對(duì)上述表達(dá)式進(jìn)行了簡(jiǎn)化研究，提出了相應(yīng)的簡(jiǎn)化表達(dá)式。對(duì)比結(jié)果表明：簡(jiǎn)化后的表達(dá)式具有較好的精度。 2100433B

深水管線流固耦合問題在海洋工程中廣泛存在，由于管線細(xì)長(zhǎng)和受彈性支撐，管線會(huì)發(fā)生柔性變形，在不同水深流動(dòng)區(qū)域會(huì)激發(fā)不同模態(tài)的渦激振動(dòng)現(xiàn)象，海底管線附近海床在復(fù)雜流場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生陶蝕現(xiàn)象，從而形成復(fù)雜的流體力學(xué)問題，是深海海洋工程極為關(guān)注和亟待解決的關(guān)鍵問題之一。本項(xiàng)目利用申請(qǐng)人及合作者提出的多重網(wǎng)格虛擬邊界法，結(jié)合ALE方法、移動(dòng)網(wǎng)格和分塊并行技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)新的數(shù)值方法：流體-固體流場(chǎng)統(tǒng)一法，數(shù)值模擬典型的深水管線流固耦合問題，包括復(fù)雜形狀管線渦激振動(dòng)和鎖定現(xiàn)象、管線柔性變形與流場(chǎng)相互作用、海底管線柔性變形與周圍復(fù)雜流場(chǎng)相互作用等，為新型深水海洋平臺(tái)和海底管線的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行與監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。同時(shí)，還可以為其它相似的流固耦合問題(如螺旋槳和渦輪機(jī)葉片的振動(dòng)現(xiàn)象)的機(jī)理探討，模型構(gòu)建和數(shù)值分析提供新的可借鑒的數(shù)值方法。本項(xiàng)目研究對(duì)豐富流固耦合理論和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展都有重要意義。