水下桩基础桥墩振动台试验研究

水下桩基础桥墩振动台试验研究

试验模型的建立试验工作主要集中在海洋平台和大型项目上。海洋平台主要解决波浪问题,进行了大量的试验研究工作。大坝则主要解决地震问题。但大坝地震时水与大坝的相互作用问题与水中桥梁地震时的相互作用问题有很大差别。类似于桥墩的水中结构物的地震试验研究工作很少。文献针对底端固定于水底且顶端浸没于水中的刚性沉箱结构进行了水下振动台试验。试验中测量了模型表面不同位置处的动水压力,并由测力计测量数据导出了模型水平向和竖向的动水附加质量和阻尼系数,以及绕水平轴的转动动水附加质量和阻尼系数。文献以线性辐射理论为基础,采用有限元方法对试验模型进行了数值计算,并与试验结果比较。数值计算结果中结构表面动水压力,水平向和竖向的动水附加质量和阻尼系数均与试验结果吻合较好,而绕水平轴的转动动水附加质量和阻尼系数明显大于试验结果。文献为了验证理论方法的可靠性,分别对从水底延伸出水面的刚性粗矮圆柱体模型和柔性细长圆柱体模型进行了水下振动台试验。模型原型分别为重力式储油罐和海洋平台的大型混凝土柱。该文献将试验数据与基于线性辐射理论得到的关于齐水面圆柱体单位长度上动水附加质量和阻尼系数的解析解进行比较,两者吻合较好。从现有文献看,目前尚没有进行过与桥梁结构相关的水下振动台试验研究,现有的动力荷载作用下桥梁与水的耦合响应问题的研究工作均局限于理论分析和数值模拟上。但试验研究一方面可以直接了解水对桩基桥梁地震反应的影响程度和主要影响因素,另一方面试验获得的数据可以作为检验针对桥梁地震辐射波浪理论正确性和精度的基础。此外各种辐射波理论都是针对断面为圆形的柱体或截断柱体建立起来的,而桥墩和承台则可能是矩形和其它复杂的形状,试验数据也可以为辐射波理论的修正提供校验的基础。本文的试验在大连理工大学振动与强度测试中心抗震试验室进行。水下振动台位于长14m,宽5m,高1m的水池中。在与激励方向垂直的池壁两端均安装有吸波装置,能较好地消去池壁反射波对试验的影响,模拟无限远波浪辐射边界条件。本文的试验模型设计以平潭海峡大桥方案引桥桥墩为背景。该桥墩处海水深度约30m,高桩(4根直径2.2m的桩)基础,承台直径12m,承台高3.5m,承台顶面略低于常自由海面。1试验设计1.1模型相似关系的确定本试验只对模型施加水平方向的激励,重力对结构的影响比地震引起的影响小得多。同时试验研究只限于线弹性范围,因此采用忽略重力影响模型的相似关系,并通过调整加速度相似比以及在模型上增加配重等措施来满足Cauchy条件。根据原型水深与振动台可达到的最大水深,本试验模型的长度相似常数Cl=30,选择了有机玻璃作为模型材料。为满足材料密度的相似关系,在模型上增加配重以弥补质量密度差距。试验中采用了铅块作为配重,采用节点方式布置以满足模型相似所要求的条件。这样,根据相似理论,得到各物理量的相似比如表2所示。1.2心石材料的考虑试验设计了2个模型,即模型A,模型B。模型A按表1的相似比设计。在模型上均匀布置铅块,使模型的等效密度与普通钢筋混凝土密度相同(模型A的设计见图1)模型B与模型A在几何和材料方面相同,但没有配重,相当于一定壁厚的空心承台和空心桩的情况(见图2)。试验中采用的传感器为:加速度计和应变片。1.3振动输入频率考虑到河床、海床或湖床多具有很厚的软弱覆盖层,因此选取了2个软土场地的地震记录作为振动台的输入,天津波和LomaPrieta波。时间步长根据相似比关系压缩后,天津波和LomaPrieta波卓越频率分别约为7.0Hz和9.5Hz。试验中各地震动输入时振动台台面实测记录见后面的试验结果。为了研究低频振动对桥墩-水动力相互作用的效果,还选用了频率为0.316Hz的正弦波作为振动台输入。试验工况见表2。2试验结果及分析2.1模型2阶振型a试验中分别用白噪声和正弦波扫频试验2次测定各模型在空气中和水中的纵桥向动力特性。利用获得的试验数据分析得到各模型纵桥向前2阶自振频率如表3所示。根据得到的自振频率,利用正弦波共振试验,得到了各模型在空气和水中的前两阶纵桥向振型形状,分别如图3和图4所示,图中模型墩顶振幅为1.0。从试验结果可看出,水对模型A前2阶纵桥向的自振频率和振型影响很小。其中,模型A在水中的前2阶纵桥向自振频率与在空气相比,分别减小2.6%和1.4%;该模型在空气中和水中的纵桥向前2阶振型也基本一致。测量结果显示,水对模型B的1阶动力特性的影响很小,而对2阶动力特性的影响较大。模型B纵桥向1阶自振频率的无水和有水试验值之间几乎没有改变,该模型在空气中和水中的纵桥向1阶振型也基本一致。而水对模型B纵桥向2阶动力特性的影响较大:该模型在水中的纵桥向2阶自振频率与空气中的试验值相比降低了20%;同时,水对该模型纵桥向2阶振型形状的影响也较显著。将模型墩顶振幅设为单位值时,模型B在空气和水中的纵桥向2阶振型在承台处的差别最为明显。2.2时间响应(1)动力特性对比模型A试验中分别在天津波和LomaPrieta波输入下测到的台面加速度时程和傅氏谱如图5和图6所示。由图可见,2个地震动在有水时的台面加速度时程和傅氏谱与在空气中基本一致。模型A型在这2个地震动输入下的加速度和应变时程试验结果分别如图7～图10所示。从加速度和应变时程图中可看出,模型在空气和水中的响应最大值和响应波形均存在着一定差异。其中,天津波输入下墩底应变响应的无水和有水试验最大值之间的差别较为明显。天津波输入时模型加速度和应变响应的无水和有水试验值之间也存在明显相位差。但总的来说,模型在空气和水中各动力响应最大值和波形差别不大。为消除输入的细微差别,将墩顶加速度反应的傅里叶谱除以输入的傅里叶谱得到传递函数(反映体系的动力特性),比较两者在空气和水中的传递函数,如图7和图8所示。在图中同一个地震动输入时,分别由无水和有水试验得到的墩顶水平加速度传递函数基本一致,这也表明模型在空气和水中的动力特性变化较小。从前面桥墩模型A的试验结果可知,无论是模型在水中的动力特性还是不同输入条件下的动力响应均与空气中对应值有所差别,但差异程度不大。(2)有水试验结果试验中天津波和LomaPrieta波输入时,模型B的无水和有水试验中由振动台台面测到的加速度时程差异较大。因而难以将其在空气中和水中响应试验结果直接比较。图11和图12比较了天津波和LomaPrieta波输入时分别由无水和有水试验得到的模型B墩顶水平加速度传递函数。可见在不同地震动输入时,模型B墩顶水平加速度传递函数的无水和有水试验结果变化趋势一致:空气中和水中的第1阶纵桥向共振频率均约为5.76Hz,基本无变化;而空气中和水中的第2阶纵桥向共振频率改变明显,分别约为17.90Hz和14.20Hz,这一结果与白噪声扫描结果是一致的。对于模型B还进行了频率为0.316Hz的正弦波输入振动试验。图13和图14分别为正弦波(0.316Hz)输入时,无水和有水试验中测到的模型不同高度处的稳态响应加速度时程,模型桩顶和桩底的稳态响应应变时程试验结果分别如图15和图16。由图可知,无水和有水试验中模型墩顶和承台的加速度响应均与台面加速度时程基本相同,因而可认为正弦波(0.316Hz)输入时模型B作近似刚体运动。而桩顶和桩底应变响应的无水和有水试验结果有显著差别,水中的应变响应幅值明显大于空气中的响应幅值。在有水试验中,承台顶面与静水面齐平。这样试验中模型墩柱基本不受水的作用,水对模型的作用主要表现在承台和桩上。由于结构作刚体运动时,结构内力仅与结构所受激励有关,因而,从桩顶和桩底应变响应的无水和有水试验结果存在着显著差别推断出水对结构的影响还表现为改变结构水下部分受到的荷载激励。3结构表面水的存在对动力特性的影响本文详细介绍了桩基础桥墩与水相互作用振动台试验的设计、制作以及实施。其中包括相似比关系的确定、试验模型的设计和工况设置等。文中并对各桥墩模型试验数据进行了分析和讨论,主要分析了水对桥梁地震反应的影响大小和主要影响因素,得到以下结论:(1)结构周围水的存在会改变结构动力特性。结构在水中的自振频率总小于结构在空气中的自振频率,并且振型也有所变化。这是由于水对结构的动水附加质