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原文传递极端波浪和冲刷作用下近海连续梁桥结构动力响应研究

论文题名：	极端波浪和冲刷作用下近海连续梁桥结构动力响应研究
关键词：	近海岸桥梁;极端波浪;局部冲刷;多重灾害;动力响应
摘要：	全球气候变暖导致的海洋水体膨胀和两极冰雪融化致使海平面上升、极端天气频繁出现，增加了台风、飓风发生的频率和强度。台风、飓风等恶劣气候影响海洋环境产生极端波浪给近海工程结构的安全性造成巨大威胁。极端波浪、冲刷、风暴潮等是台风、飓风中桥梁损毁的主要原因。学者对桥梁结构在极端波浪、冲刷作用等单因素作用下的动力响应及承载能力展开了大量研究，但目前鲜有学者考虑极端波浪和局部冲刷的共同作用。本文以某近海岸三跨连续梁桥为研究对象，考虑极端波浪特性、冲刷深度、土和结构相互作用等因素的影响，利用流固耦合方法研究极端波浪和局部冲刷联合作用下桥梁结构动力响应机理和规律。　　基于计算流体动力学软件建立的数值水槽模型，揭示了非线性波浪在水槽中的传播规律;并与水波理论计算结果、物理水槽实验数据进行对比分析，数值水槽波高的有效误差小于5.0％,表明了数值水槽产生的波浪有效波高及阻碍物表面的波浪荷载均满足工程精度要求并且稳定性良好。　　以近海某三跨连续梁桥为研究对象，建立极端波浪数值水槽模型，研究了不同波浪特性和水深下桥梁结构极端波浪荷载。结果表明波高对波浪荷载影响较大，在6m波高时，桥墩水平波浪荷载峰值平均为波高3m时的2.48倍;波浪竖向荷载受波高影响变化同样较大。研究结果还表明淹没程度对波浪冲击荷载有较大影响，水面部分淹没结构时，波浪冲击荷载较强;当水面完全淹没结构，波浪对结构的冲击力明显减弱。主墩复合结构的波浪荷载峰值在水深29m时(波峰处高于墩顶7.7m)仅为水深21m(波峰低于墩顶0.3m)的55.56％。　　基于极端波浪荷载研究，构建该桥梁结构的数值模型，采用流固耦合数值计算方法，研究了近海连续梁桥在极端波浪和局部冲刷联合作用下的动力响应。通过分析构件的位移响应曲线，发现波高增加时，构件受到波浪冲击作用较大，导致结构位移峰值增加。梁体在水深24m和29m受到波浪直接冲击使结构整体位移产生较大变化。局部冲刷降低桩基础的承载能力，对结构动力响应影响较大;在3m、6m、9m、12m冲刷深度下,墩顶横向位移峰值分别为无冲刷状态下的1.37倍、1.99倍、2.98倍和4.44倍。　　通过桩基础的正应力以及剪应力分析，揭示了承台与桩基础连接处及海床局部冲刷线处存在应力极值。其中承台与桩基础连接处受到较大的弯矩，桩基受拉侧易开裂。局部冲刷深度的增加使桩基础更易受到损伤，边跨桩基础在12m冲刷深度，波高3m,水深21m的峰值时刻产生受弯开裂。在海床的局部冲刷表面，桩基础剪应力峰值和变化率随局部冲刷增加均有所增加,并且该位置桩基受到负弯矩，受拉侧产生开裂损伤。　　在波浪作用下，桥梁支座主要受到水平和竖向荷载作用。在波高6m时，支座水平反力峰值接近其极限承载能力，支座易发生损伤失效。当梁体受波浪直接冲击时，在波浪水平冲击力、竖向冲击力和水体浮力的共同作用下，梁体极易发生倾覆。　　本研究探明近海岸连续梁桥在极端波浪和局部冲刷联合作用下各构件的波浪荷载和动力响应机理，为研究近海岸桥梁在双重灾害联合作用下的防御措施提供理论基础。
作者：	张哲钰
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	郭悬
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2023