,404 北京科技大学学报 第32卷 量或描述固体运动的独立变量， 文献[1]中，0lsom和Bathe等将它划分为四类 2水中桥墩的振动台试验 基本问题，这里借鉴他们的分法，并稍作改动，加上 水与桥墩的动力相互作用试验主要有振动台试 了流体在容器内的晃动，将耦合系统划分为如下四 验和现场振动试验，由于振动台试验可重复性和可 类基本问题：静力耦合问题、结构腔内耦合振动问 操作性强，随着模型相似理论和结构抗震试验技术 题、柔性腔内流体晃动问题、处于流体区域中的结构 的发展，振动台试验成为进行结构动力试验研究的 振动或运动等.本课题所研究的地震作用下水与桥 主要途径之一 墩相互作用则是第四种类型的流固耦合问题、目前 由于本课题研究地震下水与桥墩相互作用的影 关于考虑水结构相互作用的桥梁地震响应问题研 响，为了更好地研究动水压力的分布规律，首先选取 究绝大多数将大跨桥梁水下部分从整体分离出来单 水深较大的桥梁，另外结合跨度与设防烈度选取， 独分析，在动水压计算方法的问题上，各个国家的 鉴于南京长江三桥是21世纪新建成的复杂桥梁，且 学者采用的方法不尽相同，所得出的结论也并不 跨越长江，水深大，适于作为本文的研究对象.因 一致 此，本试验以南京长江三桥为工程背景，选取其中一 在动水压力的计算方面，1950年，Morison等9 个高桩承台，按照相似理论设计出其振动台模型，并 提出Morison方程来计算波浪力，由于该方程中含 进行相似模拟试验 有非线性项，采用数值计算和应用谱法计算水中桥 南京长江三桥南塔墩承台呈哑铃型，平面尺寸 梁结构的地震反应比较困难.Goto和Kotsubo3采 为84m(横桥向)×29m(纵桥向)厚7.5m封底混 用W estergaard解计算圆柱体上的动水压力发现，对 凝土厚4.6m基础共有30根钻孔灌注桩，每个圆 于粗短圆柱体，W estergaand解计算结果较好而对于 形部分都有12根直径3m的桩，桩尖标高为 细长圆柱体会使结果产生偏大倾向性，基于日本 一120.0m,持力层为风化泥岩.南塔墩基桩和承台 《铁路结构物设计规范》的规定，文献[4]将桥墩和 平面布置如图1所示，根据振动台的尺寸以及模型 桩均简化为集中质量体系，发现考虑动水压力作用 箱的大小确定模型的相似比，振动台尺寸是 时，体系自振频率和墩顶位移响应均有减小，考虑 1.5m×1.5m,桩承台原型直径30m,故取相似系数 土与基础的动力相互作用以及流固相互作用，文 1:50.承台材料采用钢筋混凝土模拟，桩采用钢管 献[5-7研究了液固相互作用对深水桥墩的水平地 模拟，其相似系数见表1无水与有水的试验装置如 震反应有较大影响.赖伟等8提出了一个计算圆柱 形桥墩动水压力的半解析半数值方法.袁迎春等) 上承台混凝土 上承台混凝土 并壁混凝土 并壁混凝土 讨论了Morison公式中非线性阻尼项对一般桥梁 下承台混凝土 下承台混凝土 桩、墩结构地震反应的贡献，简化了桥梁地震反应的 封底混凝土 封底混凝土 计算.张海龙等[指出动水压力对桥墩结构的地 钻孔桩 钻孔桩 30号混凝土 30号混凝土 震响应有显著的影响，建议在进行抗震设计时考虑 动水压力的作用 在国内外对流体与结构相互作用的试验研究方 8450 面，与结构波浪力试验相比，结构在水中的动力试验 较少，尤其是水下模型振动台试验.文献[11]以海 图1南京长江三桥南塔墩承台平面布置图（单位：m) Fig 1 Layout chart of the south pier of the thin Nanjing Yangtze 洋平台的大型混凝土柱为背景进行了水下振动台试 R iver Bridge (unit c) 验，将试验数据与基于线性辐射理论得到的关于齐 表1桥墩模型的相似系数 水面圆柱体单位长度上动水附加质量和阻尼系数的 Table 1 Si ilarity coefficient of the pier model 解析解进行比较.文献[12]采用强迫激励法得到了 物理量 相似系数 物理量 相似系数 水中悬浮结构竖向运动时的动水附加质量，文 长度 S=10 惯性力 号=S号=2.75X103 献[13进行了水下桩基础桥墩的振动台试验研究， 弹性模量 3=6.87 水压力 $p=S,=0.02 分析与讨论了动水力对桩基础桥墩地震动响应的影 等效密度 $=6.87 弯矩 S=5=5.5X105 响程度以及不同地震动输入条件下结构与水的相互 加速度 S=1 率 S=SS75:=33.5 作用规律，结果表明水的存在会改变结构动力特性 应力 s,=S=6.87 时间 s,=S1S7S=0.03 和地震动响应， 应变 =S=可1 位移 S=S=0.02北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 量或描述固体运动的独立变量． 文献 ［1］中‚Ｏｌｓｏｎ和 Ｂａｔｈｅ等将它划分为四类 基本问题．这里借鉴他们的分法‚并稍作改动‚加上 了流体在容器内的晃动‚将耦合系统划分为如下四 类基本问题：静力耦合问题、结构腔内耦合振动问 题、柔性腔内流体晃动问题、处于流体区域中的结构 振动或运动等．本课题所研究的地震作用下水与桥 墩相互作用则是第四种类型的流固耦合问题．目前 关于考虑水 —结构相互作用的桥梁地震响应问题研 究绝大多数将大跨桥梁水下部分从整体分离出来单 独分析．在动水压计算方法的问题上‚各个国家的 学者采用的方法不尽相同‚所得出的结论也并不 一致． 在动水压力的计算方面‚1950年‚Ｍｏｒｉｓｏｎ等 ［2］ 提出 Ｍｏｒｉｓｏｎ方程来计算波浪力．由于该方程中含 有非线性项‚采用数值计算和应用谱法计算水中桥 梁结构的地震反应比较困难．Ｇｏｔｏ和 Ｋｏｔｓｕｂｏ ［3］采 用 Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ解计算圆柱体上的动水压力发现‚对 于粗短圆柱体‚Ｗｅｓｔｅｒｇａａｒｄ解计算结果较好而对于 细长圆柱体会使结果产生偏大倾向性．基于日本 《铁路结构物设计规范 》的规定‚文献 ［4］将桥墩和 桩均简化为集中质量体系‚发现考虑动水压力作用 时‚体系自振频率和墩顶位移响应均有减小．考虑 土与基础的动力相互作用以及流固相互作用‚文 献 ［5--7］研究了液固相互作用对深水桥墩的水平地 震反应有较大影响．赖伟等 ［8］提出了一个计算圆柱 形桥墩动水压力的半解析半数值方法．袁迎春等 ［9］ 讨论了 Ｍｏｒｉｓｏｎ公式中非线性阻尼项对一般桥梁 桩、墩结构地震反应的贡献‚简化了桥梁地震反应的 计算．张海龙等 ［10］指出动水压力对桥墩结构的地 震响应有显著的影响‚建议在进行抗震设计时考虑 动水压力的作用． 在国内外对流体与结构相互作用的试验研究方 面‚与结构波浪力试验相比‚结构在水中的动力试验 较少‚尤其是水下模型振动台试验．文献 ［11］以海 洋平台的大型混凝土柱为背景进行了水下振动台试 验‚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．文献 ［12］采用强迫激励法得到了 水中悬浮结构竖向运动时的动水附加质量．文 献 ［13］进行了水下桩基础桥墩的振动台试验研究‚ 分析与讨论了动水力对桩基础桥墩地震动响应的影 响程度以及不同地震动输入条件下结构与水的相互 作用规律‚结果表明水的存在会改变结构动力特性 和地震动响应． 2 水中桥墩的振动台试验 水与桥墩的动力相互作用试验主要有振动台试 验和现场振动试验．由于振动台试验可重复性和可 操作性强‚随着模型相似理论和结构抗震试验技术 的发展‚振动台试验成为进行结构动力试验研究的 主要途径之一． 由于本课题研究地震下水与桥墩相互作用的影 响‚为了更好地研究动水压力的分布规律‚首先选取 水深较大的桥梁‚另外结合跨度与设防烈度选取． 鉴于南京长江三桥是 21世纪新建成的复杂桥梁‚且 跨越长江‚水深大‚适于作为本文的研究对象．因 此‚本试验以南京长江三桥为工程背景‚选取其中一 个高桩承台‚按照相似理论设计出其振动台模型‚并 进行相似模拟试验． 南京长江三桥南塔墩承台呈哑铃型‚平面尺寸 为 84ｍ（横桥向 ）×29ｍ（纵桥向 ）‚厚 7∙5ｍ‚封底混 凝土厚 4∙6ｍ．基础共有 30根钻孔灌注桩‚每个圆 形部分 都 有 12根 直 径 3ｍ 的 桩‚桩 尖 标 高 为 —120∙0ｍ‚持力层为风化泥岩．南塔墩基桩和承台 平面布置如图 1所示．根据振动台的尺寸以及模型 箱的 大 小 确 定 模 型 的 相 似 比．振 动 台 尺 寸 是 1∙5ｍ×1∙5ｍ‚桩承台原型直径 30ｍ‚故取相似系数 1∶50．承台材料采用钢筋混凝土模拟‚桩采用钢管 模拟‚其相似系数见表1．无水与有水的试验装置如 图 1 南京长江三桥南塔墩承台平面布置图 （单位：ｃｍ） Ｆｉｇ．1 ＬａｙｏｕｔｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｓｏｕｔｈｐｉｅｒｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄＮａｎｊｉｎｇＹａｎｇｔｚｅ ＲｉｖｅｒＢｒｉｄｇｅ（ｕｎｉｔ：ｃｍ） 表 1 桥墩模型的相似系数 Ｔａｂｌｅ1 Ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｐｉｅｒｍｏｄｅｌ 物理量 相似系数 物理量 相似系数 长度 Ｓｌ＝1／50 惯性力 ＳＦ＝ＳＥＳ2 ｌ＝2∙75×10—3 弹性模量 ＳＥ＝6∙87 水压力 ＳＰ＝Ｓｌ＝0∙02 等效密度 Ｓρ＝6∙87 弯矩 ＳＭ ＝ＳＥＳ3 ｌ＝5∙5×10—5 加速度 Ｓａ＝1 频率 Ｓｆ＝Ｓ—1 ｌ Ｓρ／ＳＥ＝33∙5 应力 Ｓσ＝ＳＥ＝6∙87 时间 Ｓｔ＝Ｓｌ ＳＥ／Ｓρ＝0∙03 应变 ＳＥ＝Ｓσ／ＳＥ＝1 位移 Ｓｕ＝Ｓｌ＝0∙02 ·404·