详情

原文传递近海桥梁上部结构波浪作用研究

论文题名：	近海桥梁上部结构波浪作用研究
关键词：	近海桥梁;上部结构;波浪力;势流理论;聚焦波;波浪砰击;波浪作用
摘要：	近海桥梁是沿海快速交通网的重要组成环节，既有近海低矮桥梁由于净空不足在台风（飓风）引起的巨型波浪作用下可能发生严重破坏，影响灾后救援及重建工作并造成严重的经济和社会损失。揭示桥梁结构的波浪作用机理，确定近海桥梁结构所受波浪作用的影响因素，建立合理的波浪力估算方法对近海桥梁结构安全有着重要意义。本论文针对无通航要求的近海低矮桥梁上部结构所受波浪力展开研究，主要内容、方法及结果如下：　　（1）开展了1:10缩尺比的桥梁模型波浪水动力试验。试验所用模型包含了一个完整的主梁桥跨、两个1/4长度的临跨和两座桥墩。试验测试了不同波浪要素的正向入射波浪和斜向入射波浪作用下，不同净空上部结构的波浪力和结构底面压强。试验结果表明：竖向波浪力包含了两个幅值相当高频砰击力和低频准静力成分，而水平作用力中高频砰击力幅值很小。当波浪斜向入射时，净空较小或为负值时，0°波向角入射波浪在桥梁上部结构上产生的波浪力最大；当净空较大时，竖向波浪力在15°波向角达到最大。此外，波浪力在空间分布上存在差异，通常迎浪侧支座承担更大的波浪力。　　（2）基于势流理论建立了正向入射波浪作用下全淹没桥梁上部结构的二维波浪力理论模型。首先通过分离变量法求解满足边界条件的控制方程，然后利用特征展开匹配法确定整个波浪-结构作用场的速度势函数。将势流理论计算结果与试验结果进行对比，验证了理论模型的正确性。将理论计算结果与AASHTO规范方法进行对比，发现该规范存在高估竖向波浪力和低估水平波浪力的现象，并基于理论模型计算结果提出了 AASHTO规范中六种桥梁上部结构的波浪力估算简便方法。　　（3）基于势流理论建立了斜向波浪作用下全淹没桥梁上部结构受的三维波浪力理论模型。假设速度势函数在时域内和桥跨长度方向具有周期性，将控制方程由三维Laplace方程降维为Helmholtz方程。首先给出了满足边界条件的带有未知系数控制方程的解，然后利用相邻子域交界面处的速度势和水平速度连续性求解了速度势函数中的待定系数，得到整个流域的速度势函数。利用线性Bernoulli方程从速度场得到压强场，并沿物面积分得到了斜向波浪作用下淹没桥梁上部结构的波浪力。利用所建立模型研究了波向角和上部结构构件几何特征对波浪力的影响，发现波向角为零度时淹没桥梁上部结构时所受到的波浪力最大。　　（4）开展了畸形波对水平方箱的波浪砰击试验，建立了淹没方箱波浪力的势流理论模型。首先提出了利用多初相位相速度法在水槽中产生连续聚焦波的试验方法，并通过实测和理论波面时程和频谱的对比分析了该方法的有效性。试验研究了水平方箱模型在不同峰值频率、最大波幅和净空下聚焦波在方箱模型上的砰击压强变化特征。势流模型分析结果发现：水平波浪力随聚焦波峰值频率增大先增大后减小，竖向波浪力随峰值频率增大持续减小，波浪力与聚焦波幅基本呈线性增大关系。
作者：	方庆贺
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	郭安薪
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文