水下圆形桥墩地震水动力效应预测模型构建与工程应用研究

针对水下圆形截面桥墩抗震设计中水动力效应量化难题，天津大学研究团队通过流体-结构耦合(FSI)数值模拟，系统分析了高宽比(HWR)、水深、空心比等参数对墩身位移/弯矩/剪力的影响规律，建立了精度达90%的预测模型，为跨海桥梁抗震设计提供了高效计算工具。

　　

随着跨海大桥建设的快速发展，水下桥墩在地震作用下的安全性面临严峻挑战。当桥墩在水中发生振动时，周围水体产生的附加惯性力会显著放大结构响应，这种被称为地震水动力效应(seismic hydrodynamic effect)的现象，可使墩底弯矩增加60%以上。尽管Morison方程和径向波理论为水动力计算提供了理论基础，但针对工程中广泛采用的圆形空心截面桥墩，现有方法仍存在参数敏感性复杂、计算成本高等瓶颈问题。

天津大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表的最新研究中，建立了基于LS-DYNA软件的流体-结构耦合(FSI)数值模型，采用不可压缩计算流体动力学(ICFD)模块与有限元(FE)模块协同求解，系统考察了高宽比(HWR=2-10)、水深(h)、直径(D=1-3m)、空心比(0-0.64)及上部结构质量比(0-1.0)等参数的影响规律。通过400组工况的模拟分析，发现当水深与墩高相等、直径3m、空心比0.64时，剪力增幅可达81%；而直径从1m增至3m时，效应变化范围为50%-80%。研究创新性地提出了考虑多参数耦合的预测模型框架，通过线性插值方法构建了位移放大系数(DHR)、弯矩放大系数(SHR)等与各参数的定量关系，其预测结果与全耦合FSI模拟的误差控制在10%以内。

关键技术包括：1）基于ALE算法的分区求解策略，分别处理流体域(NS方程)和结构域(Lagrangian方程)；2）通过附加质量理论简化水动力效应表征；3）采用中国公路桥梁抗震设计规范(JTG/T 2231-01-2020)参数体系进行模型验证。

主要研究发现：
• 目标桥墩参数影响：规范限定HWR≤10的圆形空心墩中，水面截面积增大导致"截流效应"，使水动力附加质量非线性增长。
• 数值模型验证：ICFD模块采用SST k-ω湍流模型，结构采用弹塑性本构，动网格技术实现流固耦合界面数据传递。
• 水动力效应规律：空心比每增加0.2，弯矩响应提升15%-25%；上部结构质量比达1.0时，水动力效应可从80%降至30%。
• 预测模型构建：通过HWR=2/6/10的基准曲线插值，建立DHR-IR、SHR-IR等参数的通用计算公式，实现任意HWR值效应预测。

该研究首次系统量化了圆形空心桥墩的多参数水动力效应，提出的预测框架将复杂FSI模拟简化为工程可用的计算公式。成果已应用于天