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原文传递三维波浪作用下跨海深水桥梁围堰的动力响应研究

论文题名：	三维波浪作用下跨海深水桥梁围堰的动力响应研究
关键词：	跨海深水桥梁;锚固围堰;三维波浪作用;动力响应
摘要：	随着我国海洋工程和近海岸工程的不断建设，国家中长期铁路网规划及高速公路网的规划中出现越来越多的跨海桥梁。目前众多跨海大桥已建成，且大多属于沿海的桥梁，如杭州湾跨海大桥，香港-珠海-澳门跨海大桥等，这些桥梁的水深多在10m～40m左右，而目前规划中的渤海湾通道、琼州海峡通道和台湾海峡通道的水深大多在60m以上，跨海深水桥梁建设面临重大技术挑战，特别是深水桥梁基础的建造技术尤为突出。　　由于深水海域的大跨度桥梁所处的海洋环境极为复杂，使得桥梁的基础工程、围堰的设计和施工面临更大的考验，桥梁围堰所受的波浪力及其引起的动力响应已成为跨海深水桥梁建设中急需解决的关键问题。跨海深水桥梁基础工程施工中所用的桥梁围堰，波浪力设计值对其设计和施工起控制作用，作用于围堰上的波浪力计算的准确与否，对其施工安全性、可靠性将产生直接影响。针对围堰所受的波浪力及其作用下引起的动力响应研究，对围堰的设计、浮运、精确定位具有重要工程指导意义。　　针对跨海深水桥梁围堰的施工定位所面临的难题，文中开展跨海深水桥梁围堰所受的波浪力及其作用下引起的动力响应研究。首先，为实现随时间和空间不断变化的三维自由液面的追踪，采用多层σ坐标变换法将实际的不规则物理计算域变换到规则的立方体计算域。其次，为模拟任意形式的不规则结构物表面，添加浸没边界法对固体表面进行处理，建立了三维波浪与结构物的相互作用的数学模型。最后，运用所建立的三维数学模型获得跨海深水桥梁围堰所受的瞬时波浪荷载，在此基础上，结合有限元方法研究波浪力作用下跨海深水桥梁锚固围堰的动力响应问题，并分析波浪参数、拉缆参数对锚固围堰的振动响应的影响，为跨海深水桥梁锚固围堰的精确定位提供必要的理论基础和技术支撑。主要研究内容如下: 　　1.建立了基于大涡模拟法的三维波浪与结构物相互作用的数学模型，为实现随时间和空间不断变化的三维自由液面的追踪，采用多层σ坐标变换法将实际的不规则物理求解域变换到规则的立方体求解域，便于数值模拟时施加边界条件和数值求解。波浪与结构物接触面的处理是三维波浪与结构物相互作用数学模拟的关键，采用浸没边界法实现不规则结构物表面的精确模拟。在该数学模型的数值实现中，采用分裂算子法对基本控制方程分解成三个求解子步，分别为对流步、扩散步及虚拟边界力的求解步，并分别用相应差分格式对各子步进行离散求解。　　2.对所建立的三维数学模型开展了验证研究。运用所建立的三维数学模型，模拟了波浪与不同淹没深度的圆柱相互作用的问题。从自由面位移计算和结构物所受的力及力矩计算两个方面进行验证。通过将数值模拟结果与相应的理论解、试验数据及其他数值模拟方法结果对比表明，所建立的三维数学模型可以有效地捕捉结构物附近的波浪爬高，并且能够准确计算结构物所受的波浪荷载作用。　　3.对所建立的三维数学模型开展了应用研究。分析了不同入射波夹角、吃水深度、入射波周期对结构物周围的波场衍射形态及其所受的波浪力作用的影响。首先，模拟了不同入射波夹角的三维波浪与哑铃型围堰的相互作用。结果表明，随着入射波夹角的增加，结构物受到的纵向波浪力越来越大，而受到的横向波浪力先增加然后减小。其次，针对三维波浪与圆端形围堰的相互作用的问题进行数值模拟研究。研究表明，随着吃水深度的增加，由于垂直波浪传播方向的投影面积的增加，结构物受到的纵向波浪力越来越大，而由于波浪运动速度从水面往下衰减，因此结构物底部所受的竖向波浪力越来越小。最后，模拟了不同入射波周期的三维波浪与圆形沉井的相互作用。研究表明，随着入射波周期的减小，作用于结构物上的沿着波浪传播方向的波浪力及波浪力矩呈先增后减的变化趋势，而作用于结构物底部的竖向波浪力随着入射波周期的减小呈减小的变化的趋势。　　4.针对跨海深水桥梁围堰在三维波浪作用下的施工定位所面临的难题，以正在建设中的平潭海峡公铁两用大桥的鼓屿门水道桥Z03＃主墩拟用的钢吊箱围堰作为研究对象，开展了三维波浪作用下跨海深水桥梁锚固围堰的动力响应研究。运用所建立的三维波浪与结构物相互作用的数学模型计算得到锚固围堰所受的瞬时波浪荷载，在此基础上，结合有限元方法对锚固围堰在波浪荷载作用下的振动位移响应及拉缆的索力响应进行了研究。分析了波浪参数（入射波周期、波高）、拉缆参数（索预张力、索面积、索长）对锚固围堰的振动位移响应及拉缆的索力响应的影响。研究表明，随着入射波周期的减小，锚固围堰的振动位移响应及拉缆的索力响应呈先增加然后减小的规律;而随着波高的增加，围堰的振动响应随之增大;增加拉缆预张力、截面积或者适当减小拉缆的长度，可以有效减小锚固围堰的振动位移响应。　　最后针对本文所做的研究工作进行归纳，并探讨了今后可能有必要进一步钻研和开拓的有关课题。
作者：	康啊真
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	祝兵
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文