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原文传递组合型桥墩防冲刷装置优化设计及减冲机理研究

论文题名：	组合型桥墩防冲刷装置优化设计及减冲机理研究
关键词：	组合型桥墩;防冲刷装置;优化设计;减冲机理
摘要：	桥墩局部冲刷的形成将降低桥墩有效埋置深度而影响桥梁承载力，从而引发一系列安全事故，其一直以来都是影响桥梁基础和整体运营安全的重要因素之一。随着桥墩冲刷水毁事故的频繁发生，根据桥墩局部冲刷机理提出合理高效的防冲刷措施就显得尤为重要。本文分析了桥墩局部冲刷机理以及影响因素，总结了现有各类防冲刷措施的优缺点以及适用性，并阐述了针对局部冲刷问题的原位试验、室内水槽试验、数值模拟试验的研究现状。由于准确预测最大冲刷深度是桥墩基础设计的重要依据，本文还整理了单圆柱桥墩冲刷深度预测公式以及装置防护下的冲刷深度预测公式。通过对现有研究的梳理总结，针对圆柱桥墩局部冲刷防护措施的不足，本文提出了一种结合墩前开缝挡板和墩身环翼型护圈的组合型桥墩防冲刷措施，采用理论分析、水槽试验和CFD数值模拟等手段相结合的方法，对组合型桥墩防冲刷装置展开优化设计和装置防冲刷机理研究，具体如下: 　　（1）提出了流场改变型与河床改变型的桥墩防冲刷装置分类依据，并对比分析了各装置特点及适用性。基于桥墩局部冲刷机理及影响因素，提出了一种新型的组合式桥墩防冲刷装置。调研了针对桥墩局部冲刷的原位试验、水槽试验、数值模拟试验的优缺点，为后续研究提供理论指导。　　（2）设计并开展了一系列组合装置防护下桥墩局部冲刷水槽试验，为确定组合装置的最佳参数，以挡板开缝面积率S、开缝挡板到桥墩的距离L、环翼型护圈的相对高度H为试验因素展开三因素三水平的正交试验，以墩前、墩侧最大冲刷深度为优化指标进行极差分析，以获得各试验因素对优化指标影响的主次关系以及各因素的最佳水平。　　（3）采用CFD软件ANSYS FLUENT对水槽试验各工况进行了数值模拟研究,对单独桥墩进行起冲前流场分析（流线、中轴面速度矢量、垂向速度）和平衡冲刷坑形态分析，验证了本文数值模型的可靠性。基于数值模拟正交试验，获得各试验因素对优化指标影响的主次关系以及各因素的最佳水平。　　（4）综合分析水槽试验与数值模拟研究下三个试验因素的主次关系，最终确定组合装置的最佳参数。对该最优组合装置防护下的桥墩展开相同的水槽试验，以墩前最大冲刷深度减小率和挡板前冲刷深度减小率为评价指标，验证了最优组合装置的防冲刷效果与装置自我防护性能。对最优组合装置防护下的桥墩展开相同的数值模拟试验，并结合单独桥墩、单独护圈防护桥墩对比分析了不同水平面与垂直面上的流线、速度矢量、湍动能，明确了组合装置的防冲刷机理。　　(5)对比介绍了现有的单圆柱桥墩冲刷深度计算公式，总结了各个公式的特点。基于防冲刷效果的预测，列举了部分装置防护下桥墩局部冲刷计算公式。以本文试验数据为基础，提出了适用于本文组合装置防护下的桥墩局部冲刷计算公式，建立了挡板开缝面积率S、开缝挡板到桥墩的距离L、环翼型护圈的相对高度H与冲刷深度之间的数学关系，这对桥墩埋置深度与同类防冲刷装置的设计具有重要的指导和工程意义。
作者：	陈锦超
专业：	土木工程
导师：	王炎
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江理工大学
学位年度：	2023