深水高桩承台基础地震动水效应数值解析混合算(3)
3 方法验证
3.1 水池试验
为验证本文算法的正确性,作者在一座3m ×3m×2.5m(长、宽、高)砖混水池中对如图4所示高桩承台模型进行了水深为0.30、0.75、1.15、1.55、1.75、1.90和2.05m 时的模态试验.模型由4根钢管桩、混凝土承台(为便于焊接,外围及下侧采用1 cm 厚钢板)以及钢筋混凝土桥墩三部分组成,结构尺寸详见图4.混凝土密度为2 300kg·m-3,弹性模量为22GPa;钢材密度为7 830kg·m-3,弹性模量为210GPa;水体密度为1 000kg·m-3,压缩模量为2.07GPa.为测得结构沿图4a所示x、y 向一阶侧弯及一阶扭转模态,分别在模型x、y面布置6(共计12)处加速度传感器,分别位于桩身1/2、3/4处,承台中央、边沿处,墩顶及其中央位置.水下拾振采取普通传感器外包硅胶防水套实现.使用单点激励,多点拾振,基于数据采集和信号处理(DASP)系统进行信号采集与分析,采样频率400Hz,采样时间20s.
图4 四桩高桩承台试验模型(单位:m)Fig.4 4-pile specimen of elevated pile group foundation(unit:m)
3.2 模态结果对比分析
建立图5a所示简化分析模型,根据本文算法,计算了不同水深情况下结构的x 向侧弯、y 向侧弯、扭转振动周期.因为模型桩基尺寸,S/D=5>4,群桩系数取1;当水深为0.30m,水下桩基尺度为0.2,桩基附加质量用式(2)计算,此时,需要细化梁单元,根据各单元中点处的附加密度分别进行模型定义;对其他水深则用式(1)计算.作为验证,利用ADINA软件建立了试验模型在不同水深下的势流体单元完全数值模型(图5b)并进行频率分析;基于文献[11]方法建立图5c所示简化模型得到了模型x、y 向侧弯频率.为消除各方法无水模态的误差,使用结构考虑水体的周期T水与无水周期T无水的比值表征周期随水深的变化情况,并将试验、本文方法、完全数值方法和文献[11]方法得到的结构x 向一阶侧弯、y向一阶侧弯、扭转振型的结果绘于图6.
图5 四桩高桩承台试验数值分析模型Fig.5 Numerical models for the 4-pile specimen
图6 模型周期比T水/T无水随水深变化情况Fig.6 The periods of the model as a function of the water levels
由图6知,结构各阶周期随水深增大而增加,且承台与水体相互作用对结构周期的变化贡献最大.本文方法与试验及完全数值解在三阶振型的周期变化上完全吻合,计算精度较高,这也说明第1节提出的高桩承台基础简化模型及其假设是合理可靠的.而文献[11]方法在承台—水体耦合作用的计算上与试验值出入较大,仅仅基于辐射和散射计算承台附加质量低估了水体对承台的影响.
3.3 时程分析结果比较
以水深为1.90m 时的四桩试验模型为对象,沿y 向输入Elcentro波,峰值加速度0.26 g(g 为重力加速度),利用图5a简化模型与图5b完全数值模型分别进行地震反应时程分析,两模型均采用5%的瑞利阻尼.图7所示为两方法得到的墩顶及承台中心位移及加速度时程曲线.通过对比发现,本文算法与完全数值模型计算得到的位移、加速度结果吻合良好,方法在时程分析中同样具有较高精度.此外在计算效率方面,使用一台配置四核2.5GHz处理器、8 G 内存的计算机,基于完全数值模型进行时程计算约耗时1 820s,而本文算法基于同样网格划分的简化模型从首次时程分析求解附加质量到得到二次时程分析得到结果,仅耗时830s,在相同精度的情况下,计算效率提高一倍还多.且随着分析模型的单元增多,性能提升越明显.
图7 时程分析结果比较Fig.7 Comparison of the time-history results
4 结论
本文在提出深水群桩基础考虑动水效应时的简化地震分析模型的基础上,结合解析及有限元数值方法各自的优势,给出了深水高桩承台基础地震动水效应数值解析混合算法.算法即考虑了桩基尺度、承台真实几何尺寸,又兼顾了结构振动对地震动水效应的影响.通过利用本文方法对四桩试验模型进行模态及时程分析,并与试验数据及其他数值、解析结果比较发现,算法很好地消除了传统高桩承台基础动水解析方法[11]的误差,同时,大大缩减了有限元数值方法的工作量,从而能够高效精准地对地震作用下深水桥梁高桩承台—水耦合系统的动水效应进行计算.此外,该算法可以方便地与基于梁单元的桥梁抗震分析方法相结合,既能考虑复杂的上部结构,又能计入桩土相互作用的影响,从而可以对深水桥梁全桥的多相耦合地震响应进行快速而准确的分析.考虑到由于目前水下地震模拟振动台的试验结果非常匮乏,本文研究成果对于理解桥梁深水高桩承台基础的地震响应及其抗震设计都具有较大参考及应用价值.
文章来源:《世界地震工程》 网址: http://www.sjdzgczz.cn/qikandaodu/2021/0314/445.html