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跨海桥墩参数与物理试验模型设计

本试验在大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室中进行，所使用的波浪水槽如图3所示。

由桥址水文资料可知，该桥塔位置处25年和100年一遇累计概率为1%的波高分别为3m和4.7m，对应平均波周期分别为7.0s和9.6s。参考该水文条件，同时考虑本文研究的目标考虑结构自振周期，确定了模型试验试验工况，列入表1。

图3

表1 门式桥塔规则波工况

试验中模型结构由螺栓固定安装在天平上，天平固定在水槽底部预留孔内，模型安装示意图如图2所示。安装测量传感器并搭建测量系统。试验测试时需要考虑波面时程与力、加速度和位移的同步采集。

根据试验的加速度和位移记录，得到了模型结构的自振频率，结果列入表2。塔顶自由衰减位移和加速度记录如图4所示。

对原型结构进行有限元模态分析，结构前两阶自然频率列入表2，结构前两阶自然频率对应的模态振型如图5所示。根据图5所示结果可知结构的前两阶模态振型为分别沿x和y方向的弯曲型变形，主要是因为桥塔桩基础刚度大，桥塔相当于一个悬臂梁，因此以弯曲变形为主。由于桥塔桩基础刚度大，试验时桩基础基本不动，因此有水和无水是结构的频率基本一致。桥塔结构计算频率与试验获得的频率基本一致，说明结构物理试验模型是设计合理的。

表2 门式桥塔结构自振频率

图4 

a)一阶顺桥向；        b)二阶横桥向

图5 

根据测力天平测量的结果对其测量的桥塔基底剪力进行整理，得到了各试验工况的原型桥塔基底剪力，整理结果列入表3，其中部分结果如图6所示。

表3  原型桥塔基底剪力（10MN）

（a）H=3m, T=7s

（b）H=3m, T=7.8s

（c）H=3m, T=9.6s

图6

根据表3中的结果可知当波高为3m时桥塔基底剪力随波周期的变化规律是随周期的变大为逐渐变小；而当波高为4.7m时桥塔基底剪力随波周期的变化规律是随周期的变大为先变大再变小。除了波高有差别之外其它条件都相同的条件下它们的变化规律应该一致，导致这种不一致的原因很可能是在波周期为7.8秒时与结构主周期一致，结构发生振动产生动力效应，波高为4.7m时的结构动力效应比波高为3m时的结构动力效应显著，这从表4中顶点位移结构的顶点位移就验证了这一点，波高为4.7m时的结构顶点位移是波高为3m时的结构顶点位移的1.51倍。  

根据激光位移计测量的结果对其测量的桥塔顶点位移进行整理，得到了各试验工况的原型桥塔顶点位移，整理结果列入表4，其中部分结果如图7所示。

表4  原型桥塔顶点位移（m）

图7  桥塔顶点位移随时间的变化特征

根据图7可知当波周期为7.8秒时，桥塔顶部发生显著振动，表现出明显的动力效应，这是因为波周期与结构主周期一致，结构发生了共振效应。根据表4的结果可知波高为4.7m时的结构顶点位移显著大于波高为3m时的结构顶点位移，这是主要是因为波高越高，波浪荷载越大，即使结构动力响应放大系数一致，但结构的动力响应也越大。