漫水箱梁桥水力荷载及其影响_石雪飞

毕业论文题目特大洪水对桥梁冲击的力学分析学院（全称）土木建筑学院专业、年级理论与应用力学学生姓名吴禹学号指导教师李晓红论文评阅人前言桥梁是道路跨越河流的主要形式，它起到保障公路运输畅通和排泄洪水的作用。

至今桥梁水毁仍是世界各国桥梁破坏最主要的原因，而其水毁形式多样，有的冲毁桥墩、桥台导致上部结构破坏，有的冲断桥头路堤和流堤等调治构造物，中断交通，威胁两岸安全。

桥梁墩台是直接修建在河道或海湾之中的，一旦水毁，修复困难，后果也较严重[1]。

位于平昌县白衣镇的白衣大桥，在2007年该区域发生的百年一遇的“7.6”大洪灾中，桥墩在建造过程中因受到该洪水的冲击导致垮塌，该事件对社会产生了极大影响，并导致工程停工9个月。

这只是一个典型的例子，国内外其他地区发生桥梁水毁的事例不在少数。

因而人们对现代桥梁的水毁防治越来越重视，发生水毁的原因与如何避免桥梁结构发生水毁已成为国内外学术界、工程界研究的热点。

桥梁的水毁的防治应着眼于预防，避免水毁的发生。

对于绝大多数的桥梁这也是可以做到的。

要做好对桥梁的水毁防治工作，就先要全面深入的研究水流特别是洪水对桥梁产生的作用影响，这也是本课题的落脚点，通过对洪水冲击桥墩的力学性能分析，充分认识到受冲击的桥墩的受力情况、位移变形、受拉产生的裂缝及进行宽度计算，以此为基础，把握水毁本质，为水毁防治工作提供依据和采取的措施。

本文研究的重点在于以受到洪水冲击的白衣大桥桥墩为背景，建立桥墩的三维空间有限元模型，对其在四种不同荷载工况下的第一主应力、Mises等效应力、墩高方向的位移与全桥变形、前墩墩底的受拉区裂缝进行分析并计算桥墩失去承载能力的临界水流下的裂缝宽度，根据计算分析结果，找出威胁桥墩安全的主要因素，提出关于提高桥墩抵抗洪水冲击的建议与措施。

选定荷载、确定结构计算模式和结构分析计算是本文对洪水冲击作用下的桥墩进行分析计算的三个主要部分。

在这其中，通过相关资料的阅读，本文将桥墩分为施工状态和成桥状态，第三章分别分析了在这两种状态下应考虑的荷载及荷载组合，介绍了不同荷载的计算方法与公式；第四章，主要采用数值方法对桥墩进行了模型建立与计算求解。

风、浪、流荷载组合对跨海桥梁动力响应的影响房忱; 李永乐; 向活跃; 张景钰【期刊名称】《《西南交通大学学报》》【年(卷),期】2019(054)005【总页数】8页(P908-914,922)【关键词】跨海桥梁; 风浪流荷载; JCSS组合; 耿贝尔联合概率模型; 动力响应【作者】房忱; 李永乐; 向活跃; 张景钰【作者单位】西南交通大学土木工程学院四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】U443.22; U443.15随着我国“一带一路”倡议的推进，国内海洋桥梁建设迎来了发展的高峰期，更多的深水大跨桥梁出现在我国海洋通道上，起到了连接大陆与岛屿的重要作用[1-2].海洋环境往往存在着大风、巨浪和急流的组合情况，并逐渐成为桥梁工程设计中的控制荷载[3].海洋桥梁建设中，重要通航水道往往采用大跨度斜拉桥或悬索桥的设计方案.由于基础结构尺寸大、主跨柔度加大、结构刚度小等特点，全桥在风、浪、流荷载的影响下动力响应明显.同时，国内行业规范尚无针对海洋桥梁风、浪、流荷载组合的方法，也缺少成熟的工程经验，跨海大桥风、浪、流荷载研究势在必行. 风、浪、流是海洋结构的主要环境荷载，陈小波[4]研究了随机风和波流作用下近海风机的动力响应问题，并分析了不同荷载组合、波浪非线性等问题对近海风机动力特性的影响.Zhu等[5]基于FLUENT数值模拟方法建立了风、浪、流三维数值水槽，并探讨了海洋立管在风、浪、流耦合作用下的动力响应问题.曹猛猛[6]基于AWQA水动力软件分析了浮动发电平台在风、浪、流荷载联合作用下的稳定性和强度问题.李国亮等[7]根据杭州湾某施工栈桥实际情况，提出了风、浪、流荷载的工程计算方法.王子健等[8]通过ANSYS流固耦合模块探究了深水桥梁在风浪流激励下的振动响应问题.Guo等[9]通过物理模型试验研究了门式桥塔在风、浪、流耦合作用下的动力响应问题.目前，现有研究多数是针对海洋平台、风机、栈桥或桥塔[10-11]，较少有针对大跨桥梁在风、浪、流荷载作用下的全桥结构动力性能的研究.以某跨海桥梁为工程背景，建立了全桥有限元模型，风荷载采用基于谱法的随机荷载，水流荷载视为稳定荷载，波浪荷载则分别根据线性波理论和随机波理论求解.通过国际结构安全性联合委员会（joint committee on structural safety，JCSS）提出的组合概率模型实现了考虑相关性的极值风、浪、流荷载组合.最后，分析了不同JCSS组合对跨海桥梁主梁的动力响应影响，同时探讨了荷载组合中参与荷载时段和波浪场两个要素对计算结果的影响程度，研究结果可以为海洋桥梁设计提供一定的参考.1 风、浪、流组合模型及相关性风、浪、流极值荷载之间采用了结构安全度联合委员会所推荐的一种近似荷载效应组合概率模型：JCSS组合模型[12].主要荷载设计基准期取为N年，将其他参与荷载在设计基准期内等分为n段，每一时段为 Ti（i = 1，2，···，n ）年.当一种荷载取设计基准期最大荷载或时段最大荷载时，其他参与组合的荷载仅在该最大荷载的持续时段内取相对最大荷载.根据JCSS组合模型，风、浪、流典型的3种组合如表1所示.分别取风、浪、流作为主要荷载进行组合，每种荷载可用一种代表其强度的环境要素表示，即分别采用10 min平均风速（简称平均风速）、有效波高和设计流速表示.同时在海洋环境中，由于各个要素紧密相关，故需要考虑风、浪、流之间的相关性.基于JCSS组合模型，采用耿贝尔逻辑模型研究极值风浪之间的相关性；对于风浪同流速之间的相关性，引入了风海流的概念.表1 设计基准期内极值风浪流组合Tab.1 Combination of extreme wind，wave，and current during design reference period工况时间/a风浪流1 N Ti Ti 2 Ti N Ti 3 Ti Ti N耿贝尔逻辑模型联合分布函数为式中：x、y为环境变量；r为随机变量X和Y的相关性参数；FX为随机变量X的边缘分布，为随机变量X耿贝尔分布的位置参数和尺度参数，需要根据桥位海域实测数据进行参数估计；FY为随机变量 Y的边缘分布为随机变量Y耿贝尔分布的位置参数和尺度参数.得到联合分布函数后，即可给出设计基准期对应的风速和波高的组合，并以此极值风速和波高作为设计平均风速和有效波高.2 风、浪、流组合荷载计算作用在跨海大桥上的荷载由风荷载、波浪荷载和水流荷载3部分叠加而成.风荷载主要作用在主梁和桥塔上，考虑了随机风场和结构的流固耦合作用，波流荷载则作为外荷载作用在桥梁下部基础，假设风、浪、流荷载作用方向一致且垂直于主梁，其加载位置如图1所示.图1 风、浪、流荷载Fig.1 Wind，wave，and current loads2.1 风荷载数值计算随机风场主要通过典型的功率谱进行描述，因桥梁风环境研究较为成熟，故本文重点研究了波流场的模拟.对于大跨度桥梁脉动风场，功率谱采用我国《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/TD 60-01——2004）[13]建议的风速谱密度函数，通过Davenport相干函数考虑风速场的空间相关性，为提高计算效率，将三维风场简化为多个一维风场，采用显示表达的互谱密度矩阵Cholesky通过谱解法求解脉动风场，具体方法详见文献[14].对于随机风荷载，将风荷载分成静风力、抖振力和自激力[15]，其中作用在单位长度主梁上的静风力为式中：F1、F2、F3分别为空气阻力、升力和力矩；ρa为空气密度；V为主梁处平均风速；C1、C2、C3分别为主梁阻力系数、升力系数和力矩系数，通过常规比尺气动特性模型风洞试验获得，其取值分别为 1.026、0.167、0.107；H和B分别为主梁高度和宽度.2.2 波浪荷载数值计算线性波浪场可依据线性波理论描述，对于随机波浪场，则通过线性波浪叠加法模拟不规则波，故水质点水平速度u和加速度可以表示为式中：ai、ki、wi、εi 分别为第i个波浪的幅值、波数、圆频率、随机相位；d为水深；z为计算点至局冲线的距离；t为时间；功率谱函数S（w）采用国际上常用的P-M谱，w为波浪谱的圆频率；Hs为有效波高；T为波浪平均周期.波浪荷载以分布荷载的形式加载到对应的结构上，对于直径D与波长L之比大于0.2的大尺度承台，采用简化荷载计算方法，即仅考虑水平波浪分力[16].对于D/L ＜ 0.2的小尺度结构，采用Morsion方程计算波浪力，作用在结构单位长度上的水平波浪力为式中：ρw为海水的密度；A为结构的断面面积；CD、CM分别为海洋阻力系数和惯性力系数，圆形断面取值分别为1.2和2.0，矩形断面取值分别为2.0和2.2[17].2.3 水流荷载数值计算对于水流场，设计流速v通过风海流流速和潮流可能最大流速vt的线性叠加进行计算，其中潮流可能最大流速根据桥址区海域实测资料获得，依据《港口与航道水文规范》，计算风海流流速为式中：v10为距海面10 m高度处平均风速；K 为系数，0.024 ≤ K ≤ 0.030，本文采用 0.025.许多学者认为水流可以看作是稳定流动的[18]，故水平水流力为式中：Cw为水流阻力系数，圆形断面取为0.73，矩形断面根据长宽比不同取值[19].3 数值实例3.1 工程概况以某双塔三跨斜拉桥为例，其跨径布置为133 m +196 m + 532 m + 196 m + 133 m，全长为1190 m，主梁为双层钢桁架梁，桥塔为H形混凝土桥塔，桥梁总布置如图2（a）所示，主梁断面如图2（b）所示.该跨海大桥下部基础结构采用桥墩-承台-桩基组合形式结构，全桥共计6组基础结构，包括2组主墩（N03、N04）和 4 组辅助墩（N01、N02、N05、N06）.以N01墩为例，其构造如图2（c）所示.桥墩为双柱式矩形混凝土墩，承台为8 m 高矩形混凝土承台，桩基采用直径4 m的钻孔桩.桥梁采用有限元建模，主梁、桥塔、下部基础采用三维梁单元建立，斜拉索采用三维杆单元建立，全桥有限元模型详如图3.3.2 工况设定及数模验证根据JCSS组合规则，需要确定风、浪、流极值要素，实测数据可以借鉴相关海域已有研究成果.周道成[20]以相关海域近30 a风浪实测数据进行研究，验证了可以采用耿贝尔逻辑模型模拟极值平均风速和有效波高的联合概率分布，故本文采用此模型推算桥址区设计基准期对应的平均风速及有效波高.对于潮流和风海流组成的水流场，依据桥址区实测数据，得到潮流可能最大流速为1.14 m/s.全桥动力响应计算工况共分为7组.为研究JCSS荷载组合的影响，工况 1（4）、2（5）、3（6）分别为以风、浪、流为主要荷载的JCSS荷载组合.跨海桥梁设计基准期一般为100 a，为考虑参与荷载时段的影响，参与荷载重现期分别取10 a 和5 a.即工况1、2、3将设计基准期100 a 等分成10段进行组合，工况4、5、6则将设计基准期100 a 等分成20段进行组合.为考虑不同波浪场的影响，工况2和工况7分别采用随机波和线性波模拟波浪场，波浪场基本设计参数相同.风浪流要素详细设计参数如表2所示.主梁距海面高度为64.2 m，其中主梁处平均风速为式中：α为粗糙度系数，α = 0.12.为验证随机风场和波浪场模拟结果的正确性，对比了数值模拟的模拟谱和目标谱.图4（a）为第1个点位脉动风场的对比结果，图4（b）为基于P-M谱的随机波浪场的对比结果.可见，模拟谱和目标谱较为吻合，随机风场和波浪场模拟效果较好.3.3 荷载组合分析图2 桥梁构造Fig.2 Bridge construction图3 全桥有限元模型Fig.3 Finite element model of full-bridge表2 极值风浪流设计参数Tab.2 Design parameters of extreme wind，wave，and current工况 V10/（m•s-1）Vb/（m•s-1）Hs/mvu/（m•s-1）vt/（m•s-1）v/（m•s-1）143.9354.917.850.751.141.892（7）30.1237.6511.450.751.141.89330.1237.657.851.101.142.25443.9354.916.750 .651.141.79525.8932.3611.450.651.141.79625.8932.366.751.101.142.25根据JCSS组合规则，确定了跨海大桥所受的风、浪、流荷载组合，计算了全桥在3种组合（工况1、2、3）下的动力响应，为对比3种组合对桥梁结构的影响，选择具有代表性的主跨跨中位置的位移响应进行分析，计算结果如图5所示.从图5（a）可以看出：3种工况下位移响应随风、浪、流荷载作用的时间随机变化，以风为主要荷载的工况1位移幅值相对较大，以波浪为主要荷载的工况2次之，以水流为主要荷载的工况3幅值相对最小，这是由于风荷载直接作用在主梁上，根据桥梁特性，每隔6 m布设一个风速点位，全桥共计198个风速点位，故风荷载对跨中横向位移影响更为明显；在200 s荷载持续时间中，工况1、2、3跨中横向位移最大值分别为 0.84、0.63、0.62 m，工况 2、3横向位移最大值相对工况1虽然减小了25.0%和25.7%，但仍存在较大横向位移，说明波浪和水流对主跨跨中横向位移的影响不可忽视；同时值得注意的是横向位移基本为正值，这是因为水流荷载与波浪荷载同向加载.图4 随机风、浪场功率谱对比Fig.4 Comparison of power spectrum of random wind field and wave field由图5（b）可以看出：工况2和工况3位移响应基本重合，而工况1中位移响应明显偏大，其竖向位移最大值较工况2和工况3分别偏大22.2%和22.4%，这是因为波流荷载是横桥向作用，竖向位移主要由风荷载中升力引起；工况1平均风速最大，而工况2和工况3平均风速相同.图5 不同组合跨中位移Fig.5 Displacement at the middle of the span on different combinations为进一步分析跨中位移响应机理，对响应显著的主跨跨中横向位移进行了功率谱分析，结果如图6所示.图6 桥梁跨中横向位移功率谱分析Fig.6 Power spectrum analysis of lateral displacement at the middle of the span从图6可以看出：每种工况存在2个卓越频率fp，工况1和工况3的两个卓越频率相同，分别是0.101 Hz和0.216 Hz，分别同有效波高7.85 m的随机波浪荷载的峰值频率和桥梁一阶对称横弯频率一致；工况2卓越频率分别是0.084 Hz和0.216 Hz，其中0.084 Hz也是有效波高11.45 m的随机波浪荷载的峰值频率，这说明了在桥梁跨中横向位移响应的影响因素中，波浪和桥梁横弯基频起主要作用.在工程设计中需要避免桥梁横弯基频落在波浪峰值频率范围内，以免引起共振，造成结构损伤.3.4 参与荷载时段的影响根据桥梁工程的设计要求，主要荷载基准期为100 a，其分段n的取值，即参与荷载时段的确定对桥梁工程所受环境荷载的大小有直接影响.为研究不同参与荷载时段对大跨度桥梁响应的影响程度，JCSS组合中 n分别取 10（工况 1、2、3）和20（工况4、5、6），进而分析主梁位移的动力响应.图7为分别以风、浪、流为主要荷载时两种参与荷载时段划分方法下的主跨跨中横向位移响应.从图中可知：工况1、2、3横向位移最大值较工况4、5、6分别增加7.5%、49.5%和69.2%；风为主要荷载时，不同参与荷载对横向位移影响较小，波流为主要荷载时，不同参与荷载对横向位移影响显著.这也反映了风荷载是影响主跨跨中横向位移的主要因素.图7 桥梁跨中横向位移对比Fig.7 Comparison of lateral displacement at the middle of the span图8 为塔梁结合处主梁的横向位移时程，工况1、2、3横向位移最大值较工况4、5、6分别增加13.7%、7.4%和39.4%，同时波浪为主要荷载时，工况2和工况5位移响应时程基本一致，这说明波浪对该位置主梁横向位移影响明显.综上可见，主梁横向位移在参与荷载重现期为5 a时较10 a显著降低，环境要素对主梁不同位置的位移响应影响程度不同，当对主梁响应影响显著的荷载作为主要荷载时（如在跨中横向位移分析中风荷载作为主要荷载），参与荷载时段的影响相对有限.图8 桥梁塔梁结合处横向位移对比Fig.8 Comparison of lateral displacementat the joint of the tower and girder3.5 不同波浪场的影响在工程计算中，通常采用规则波计算海洋结构所受的波浪荷载，为分析规则波和不规则波对大跨度桥梁的影响，分别采用线性波和随机波模拟波浪场，进而计算主跨跨中位置的位移响应.图9为波浪作主要荷载时主跨跨中的横向位移时程，两种波浪场下跨中位移响应均呈现出随机变化规律，规则波波浪场下主跨横向位移相对较小，其跨中最大横向位移比不规则波波浪场作用下偏小6.8%.这说明规则波作用下桥梁位移响应被低估，在实际工程中采用不规则波可更切实地计算海洋结构的动力响应.图9 不同波浪场下跨中横向位移对比Fig.9 Comparison of lateral displacement at the middle of the span at different wave fields4 结论本文针对风、浪、流共同作用，研究了不同JCSS组合模型对结构响应的影响，分析了不同荷载时段及不同波浪场的影响，主要研究结论如下：（1）随机波浪和桥梁横向基阶模态对跨中横向位移响应的贡献较大，桥梁自振频率应远离随机荷载峰值频率.（2）基于JCSS组合模型提出了3种荷载组合方式，对于主跨跨中动力响应，以风为主要荷载的组合计算结果偏于安全，而以波浪和水流为主要荷载的计算结果偏小，在实际工程中应根据设计需求确定合理的荷载组合.（3）跨海大桥主梁横向位移在跨中处主要受风荷载的影响，在塔梁结合处主要受波浪荷载的影响，当此起主导作用的环境要素作为JSCC组合的参与荷载时，不同时段参与荷载对结构的影响显著.（4）波浪场采用规则波模拟时桥梁响应会被低估，跨海桥梁工程结构响应分析中宜采用不规则波模拟桥址区波浪场.（5）本文基于JSCC组合这一确定性的方法研究了跨海桥梁的动力响应，但风、浪、流存在随机性，风、浪、流联合概率分布和非一致荷载等问题有待进一步研究.【相关文献】[1]杨进先，胡勇.跨海大桥桥渡设计关键技术探讨[J].桥梁建设，2010，40(5)： 60-63.YANG Jinxian， HU Yong.Discussion on key technology of bridge crossing design of cross sea bridge[J].Bridge Construction， 2010， 40(5)： 60-63.[2]房忱，李永乐，向活跃.波浪作用下跨海大桥列车走行性研究[J].西南交通大学学报，2017，52(6)： 1068-1074.FANG Chen， LI Yongle， XIANG Huoyue.Study of train running performance under wave load for crosssea bridge[J].Journal of Southwest Jiaotong University， 2017， 52(6)： 1068-1074.[3]房忱，李永乐，秦顺全，等.中、美、英规范关于跨海桥梁桩基波浪力的对比[J].桥梁建设，2016，46(6)： 94-99.FANG Chen， LI Yongle， QIN Shunquan， et parison of wave forces of pile 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跨海桥梁工程建设的若干水动力学问题随着经济的发展，人们对于交通运输的需求也日益增加。

为了满足人们的需求，建造跨海桥梁已经成为了一种趋势。

然而，跨海桥梁的建设涉及到很多的水动力学问题。

本文将从水动力学的角度来探讨跨海桥梁建设中的若干问题。

一、海浪海浪是跨海桥梁建设中最重要的水动力学问题之一。

海浪的大小和形态是由风力、海洋流动和海底地形等因素共同作用的结果。

对于跨海桥梁来说，海浪的大小和形态对桥梁的安全性有着极大的影响。

因此，在桥梁设计中必须对海浪进行详细的研究和分析。

海浪的研究可以分为两个方面：一是海浪的统计特性，二是海浪的动态特性。

对于统计特性，主要是通过长期的观测和数据分析来确定海浪的大小、频率和方向等参数。

而对于动态特性，则需要通过数值模拟和实验研究来确定海浪的传播和变形规律。

在跨海桥梁的设计中，必须考虑到海浪的影响。

常见的设计方法有两种：一是采用抗浪设计，即将海浪作为设计荷载来考虑；二是采用减浪设计，即通过特殊结构和材料来减小海浪对桥梁的影响。

二、海流海流是跨海桥梁建设中的另一个重要的水动力学问题。

海流的大小和方向受到多种因素的影响，如地球自转、海底地形、海洋温度和盐度等。

对于跨海桥梁来说，海流的影响主要有两个方面：一是对桥梁的稳定性影响，二是对桥梁的导航影响。

对于桥梁的稳定性影响，主要是考虑到海流对桥墩的冲刷和侵蚀。

海流的冲刷和侵蚀会使桥墩的基础受到破坏，从而影响桥梁的安全性。

因此，在桥梁设计中必须考虑到海流对桥墩的影响，采取相应的措施来加强桥墩的基础。

对于桥梁的导航影响，主要是考虑到海流对船只的影响。

海流的大小和方向会影响船只的航行速度和航向。

因此，在桥梁设计中也必须考虑到海流对船只的影响，采取相应的措施来保证船只的安全航行。

三、海底地形海底地形是跨海桥梁建设中的另一个重要的水动力学问题。

海底地形的大小和形态会影响桥梁的基础设计和施工。

对于桥梁的基础设计来说，必须考虑到海底地形的坚固程度和稳定性。

大跨高墩变截面曲线箱梁桥悬臂施工变形分析与控制石雪飞 高　宝(同济大学,上海200092)提　要　结合大跨高墩曲线箱梁连续刚构施工监控项目,分析此类桥梁悬臂施工中产生空间变形的主要因素,并介绍针对此空间变形应采用的施工控制措施,以保证桥梁建成后的线形状态。

关键词　悬臂施工,曲箱梁,施工线形控制,预偏位Deform ation Analysis and G eometric Controlfor Long Span Continuous Curved Box G irderB ridges inC antilever ConstructionSHI Xuefei G AO Bao(Tongji University,Shanghai200092)Abstract　By using the spacial analysis software,ANSYS,the mechanic characteristic of vari2 able cross2section PC continuous curved box girder bridge is analyzed and influences of high pier applied on cantilever casting are researched too,then geometric control methods are proposed in cantilever construction.K eyw ords　curved box girder,cantilever construction,geometric control,coupling1前　言与直桥相比,曲线梁桥因受弯扭耦合效应的影响,其受力变形更加复杂。

在影响曲线梁桥受力的众多因素中,曲率的影响是最明显的。

在此之前,国内学者对曲线桥梁的分析多为平面梁格系或空间杆系方法进行,获得了一定的成果,这些成果对小跨径、等截面箱梁的设计与建造起了极大的推动作用。