跨海桥梁高桩承台复合桥墩波浪荷载分析

为准确计算跨海大桥桥墩所受的波浪荷载,研究高桩承台复合桥墩各结构间相互波浪绕射影响,采用FLUENT软件平台建立三维数值波浪水槽,分别针对波浪单独作用于桩基、承台、墩身和作用于复合桥墩等4种工况,模拟分析了各结构波浪力随水位和周期的变化规律,以及各结构间的波浪绕射影响。研究结果表明:当CS>0时,桩基水平波浪力随着水位增加而减小,受承台波浪绕射影响,桩基水平波浪力会增大,且随着水位增加,承台波浪绕射影响越明显;承台水平波浪力随水位先增后减,受桩基和墩身波浪绕射影响,水平波浪力也增大,承台水平波浪力最大增幅约25%;承台垂向波浪力随水位增加呈И形分布,且在不同水位条件下,随周期变化规律不同;墩身受承台波浪绕射影响明显,墩身水平波浪力最大增幅约250%。     

承台-群桩结构波浪力理论分析

目前桥梁基础的波浪力计算大多采用数值模拟的方式进行研究,但数值模拟存在计算成本高、耗时长等缺点。因此基于线性势流理论首次推导了承台-群桩结构的波浪绕射作用计算公式,求解得到了承台波浪力的半解析解。首先将承台-群桩结构简化为上层穿出水面、下层嵌入水底的双层多柱体结构,其中上层单柱体代表承台,下层多柱体代表群桩。然后将计算域划分为承台外侧和下侧2个子域,子域间的交界面函数通过傅里叶级数处理,通过匹配特征函数展开法对每一个子域的速度势函数进行求解,最终得到承台表面波浪力。在进行解的收敛性分析和与边界元软件进行大量的对比验证后,分析了桩半径和承台高度对承台表面波浪力的影响。研究发现：在小波数范围内,承台表面的量纲一的波浪力会随着群桩的存在而增大,并随着桩半径的增加而进一步增大;同时承台高度的增加会首先对波浪力的增加有促进作用,但在承台高度达到某一临界值后,承台量纲一的波浪力将会减小。首次基于势流理论推导的双层多柱体波浪作用的理论公式,为承台-群桩结构表面波浪力的求解提出了一种新的半解析方法,相较于数值模拟,其能在保证结果准确性的同时,也能使得计算更加方便快捷、成本低廉,为之后波浪作用理论的进一步完善提供有力支撑。     

承台淹没深度对海洋桥梁基础波浪荷载的影响

为研究承台淹没深度对海洋桥梁桩-承台复合基础波浪荷载的影响,指导复合基础设计,通过求解RANS方程和k-ε湍流模型,借助CFD软件建立波浪与复合基础相互作用的三维数值模型,计算不同承台淹没深度时复合基础周围流场特征以及波浪荷载随时间的变化规律。结果表明:受基础阻水作用影响,复合基础周围流场紊乱,且周围流向发生改变;当承台底面位于波峰位置以上时,承台位置变化对复合基础波浪荷载没有影响;当承台位于波谷与波峰之间位置时,随承台淹没深度增加,复合基础波浪荷载先增大后减小;当承台顶面位于波谷位置以下时,随承台淹没深度增加,复合基础波浪荷载逐渐减小,且淹没深度越大,减小幅度越不明显。实际工程设计时,综合考虑各方面的影响,为避免复合基础所受波浪荷载过大,应尽量避免将承台设计在水面附近。     

黏质粉土中在单向地震动输入下的低承台桩基动力响应特征分析

针对均质黏质粉土场地中上部荷载一定而设计了五桩一承台的布桩方式,采用强震记录的El-Centro-NS波前30 s地震动加速度时程作为地震动输入时程,进行了单向地震动输入的数值模拟,揭示了动力响应的特征及机理。数值模拟研究表明:墩顶、墩底、桩顶的加速度峰值分别是输入加速度峰值的2倍、0.8倍和0.76倍,表明上部结构的运动效应受结构惯性力影响更大;地表结构物的结构尺寸、荷载对地震响应具有显著的影响;承台与承台侧土体对加速度具有一定的削减作用。承台底面土体沉降先随着地震动小幅度波动,之后随着地震动幅值的增大,沉降迅速放大。五桩一承台布桩方式下,五根桩加速度峰值自桩端向上先增大,至埋深25 m附近开始减小,至埋深13 m附近峰值加速度减小到最小,再向上加速度峰值又迅速放大。     

不同角度侧风状态下油罐车的气动特性仿真研究

在高速长途运输中油罐车受侧风影响易出现侧翻等交通事故。文中采用横摆模型法建立不同角度侧风状态下油罐车车身外流场,并进行数值计算,得到油罐车气动特性随侧风角度变化的规律,即随着侧风角度的变化,油罐车受到的侧向力、升力和侧倾力矩、横摆力矩、纵倾力矩明显增大,阻力先增后减;当侧风角度大于60°后升力系数、侧向力系数均较高,说明此时油罐车高速行驶存在较高的危险性。     

消减波浪荷载的桥梁沉箱基础外形设计研究

基于波浪场中动水压强的空间分布特征,提出了消减跨海桥梁沉箱基础波浪荷载的方法:一是优化基础横截面外形,调节基础横截面外轮廓不同位置波浪压力的相位差,减小基础所受到波浪力和力矩;二是优化基础竖截面外形,减小水面附近波浪能量集中区域的截面尺寸,增大靠近海床面区域的截面尺寸,将基础下部的迎浪面设置为外伸斜面,利用斜面上波浪压力竖向分力产生的力矩抵消部分水平分力产生的力矩,从而消减桥梁基础上的总波浪力矩。对于大尺度矩形和圆端矩形截面的桥梁深水沉箱基础,基于势流绕射理论和边界积分方法进行分析,结果表明,相比于矩形截面,采用圆端矩形截面可有效减小基础的波浪力和力矩;相比于上下等截面的基础,采用下部迎浪面设置外伸斜面的基础可以大幅减小基础的波浪力矩。研究成果可为跨海桥梁深水基础设计提供参考。     

乐清湾大桥桥梁基础波浪力计算研究

在桥梁基础波浪力计算中,波浪对桥梁基础产生的水平力为主要设计荷载,其很大程度上控制桥梁基础的规模。为了给桥梁基础设计提供依据,确保桥梁结构受力安全、经济合理,选取乐清湾大桥1号桥基础为研究对象,采用大直径结构波浪力计算数学模型,对作用于承台和群桩上的波流力分别进行计算,并对承台波流力进行合成系数分析,提出承台波流力可近似通过波浪力与水流力之和乘以1.04来计算。利用波浪物理模型试验对该计算方法进行研究和论证,建立适用于实际工程的有效数值模型,为工程的安全设计提供重要保证。     

跨海桥梁哑铃形围堰规则波浪力试验研究

为尽量准确地估算跨海桥梁哑铃形围堰的波浪力,开展波浪水槽试验。以某跨海大桥哑铃形围堰为原型,制作1∶60围堰模型,采用波浪水槽试验系统制造规则线性波,研究波浪周期、波高和波浪入射角对围堰波浪力的影响规律,并根据试验结果提出考虑结构尺度效应的哑铃形围堰最大波浪力简化计算方法。结果表明:随着波浪周期的增加,哑铃形围堰的纵向、横向波浪力呈先增加后减小的趋势,竖向波浪力呈增加趋势,长波条件下需重视竖向波浪力的作用;随着波高的增加,围堰各方向波浪力基本线性增加;随着波浪入射角的增加,纵向波浪力明显增加,横向波浪力呈先增加后减小的规律,入射角45°时波浪力最大;提出的波浪力简化计算方法能较准确地估算哑铃形围堰的最大波浪力。     

西堠门公铁两用大桥高桩承台基础波流荷载特性研究

西堠门公铁两用大桥主桥5号桥塔采用高桩承台深水基础，承台为六边形截面，长68 m、宽46.4 m、高10 m,桩长88 m。为了解该跨海桥梁高桩承台深水基础在海洋环境下的波流荷载特性，对高桩承台基础在不同波流条件下所受波流力展开研究。采用CFD软件Flow 3D建立三维波流数值水槽模型，实现波流耦合数值仿真，在通过缩尺模型水槽试验验证可靠的基础上，采用数值仿真计算高桩承台基础不同构件在波流同向、反向及纯波时，不同流速条件下所受波流力，并分析群桩波流力的非均匀特性，提出群桩波流力非均匀性系数γ和桩基系数K以表征群桩波流力特性。结果表明：高桩承台基础在纯波及波流同向时横桥向波流力变化不大，在波流反向时横桥向波流力显著增加，其最大值为纯波条件下最大值的1.13倍；承台所受横桥向波流力在波流同向时随流速增大而减小，在波流反向时一定流速范围内随流速增大而增大；群桩主要受水流力作用，所受作用力随流速增大而增大；群桩波流力非均匀性系数γ最大可达75.9%。     

带帽管桩联合袋装砂井复合地基力学特性研究

基于有限元方法建立带帽管桩联合袋装砂井复合地基模型,对比分析了桩土应力比、刺入量、桩身轴力、桩侧摩阻力的变化规律。研究结果表明:桩土应力比随桩间距增加先减小后增大,桩土应力比与桩帽直径、垫层模量、垫层厚度呈正相关,其增加速度会随垫层模量大于120 MPa或垫层厚度大于30 cm后变缓;刺入量、桩侧摩阻力均与桩顶荷载呈正相关,袋装砂井在荷载小于100 kPa时能有效增加桩侧摩阻力;桩身轴力会随桩间距、垫层模量、桩帽直径增加先增大后减小,轴力在19 m左右会趋近相等;使用桩帽能增加桩土应力比、下刺入量和桩侧摩阻力。     

柱下独立承台群桩基础数值分析

通过有限元数值模拟,探讨了承台弹模对桩间和桩土荷载分担比的影响,以及承台板底土体应力的分布规律。随着弹模增大,由承台传递的荷载逐渐由承台中心桩向边缘桩转移,桩土荷载分担比也逐渐增大,但增速逐渐减小。承台板底土体在靠近桩和承台边缘的应力较大,最大应力在承台角点下。     

承台对桩基础p-y曲线及水平土体抗力系数的影响分析

为了研究承台影响下桩基础p-y曲线以及水平土体抗力系数的变化规律,基于三维快速拉哥朗日分析软件FLAC~(3D),建立了桩-土-承台相互作用模型。通过这一数值模型,对不同承台大小、不同长度的单桩在不同的侧向荷载作用下的情形进行了数值模拟。根据数值模拟的结果,分析了桩侧土体的侧向抗力和桩基础的p-y曲线。结果表明:承台的尺寸大小会影响桩基础p-y曲线的变化规律,引起土体对桩基础的侧向反力的变化;对于不同长度的桩,土体对桩基础的侧向承载能力随着承台尺寸的增大而不断提高,此规律对不同长度的桩都具有适用性;承台会影响单桩的最大侧向抗力的位置,且在达到极限荷载时,承台对土体的影响主要局限在桩体长度的第一个1/4深度区域内;对于无承台的桩基础,除反弯点与桩底端位置外,水平抗力系数基本与K法吻合;随着承台的增大,抗力系数的总体变化趋势不变,但在桩底端处的抗力系数会变为0,与不考虑承台作用时的结果差别较大。研究结果对桩-土-承台系统在侧向荷载作用下的设计提供了一些有价值的参考依据。     

青藏公路典型路基病害影响因素分析

为研究青藏公路典型路基病害与多年冻土特征和路基高度之间的关系,根据青藏公路历次病害调查和勘探资料,开展统计研究。研究结果表明:沉陷、波浪病害随年平均地温的升高呈先增大后减少的趋势;随路基下伏多年冻土含冰量的增加而增大,含土冰层区相比饱冰冻土区沉陷、波浪病害会有一定量的减少;路基沉陷病害随路基高度的增加而减少。路基下伏多年冻土融化是产生纵向裂缝的根本原因,纵向裂缝病害随下伏多年冻土含冰量及路基高度的增加而增大。     

饱和黄土地区CFG桩复合地基承载特性有限元分析

以西部管道工程兰州原油末站为工程背景,运用ANSYS有限元软件分别研究了不同荷载、褥垫层厚度、桩体模量及桩径对饱和黄土地区中CFG桩复合地基沉降的影响。结果表明:沉降随着荷载的增加而增大,桩间土荷载分担比随着荷载的增加逐渐减小,而桩荷载分担比逐渐增大;承台的沉降随褥垫层厚度增加略有增加,桩顶沉降却略有减小,且当褥垫层厚度相同时,桩土应力比随着荷载的增加而增大,在相同荷载下,桩土应力比随着褥垫层厚度的增加而减小,沉降与桩体模量的变化关系类似于玻尔兹曼函数;沉降随桩径的增大而减小。     

一种深水组合基础的设计研究

为了解决跨海大桥常见的水深、软基、基础沉降量大等难题,以规划中的琼洲海峡大桥中线桥为背景,研究分离的四柱式沉井+桩基的组合基础形式。该组合基础中的四柱式沉井上下设2道系梁(采用2个"一"字形或倒扣的"U"字形);在沉井壁内打入桩。沉井与桩基础共同承受竖向力,减少了桩基数量;沉井基础可作为桩基础的施工平台,解决了海上施工平台难以搭建的难题;同时桩基础有利于减少基础沉降。桩基和沉井所受竖向力按其与承台的竖向接触刚度来分配,桩身受力按低桩承台假定进行受力分析,分析结果表明桩身强度完全满足受力要求。该组合基础的下沉施工顺序和自浮式沉井的下沉施工顺序基本相同。     

可液化场地高承台群桩-土-桥梁结构地震相互作用振动台试验

采用高承台群桩-独柱墩结构体,进行可液化场地群桩-土-桥梁结构地震相互作用振动台试验,再现自然地震触发地基液化及桩基破坏等宏观现象;通过试验监测了液化场地中地基的加速度、孔压反应以及桩-柱墩的加速度、位移、应变反应和上部结构的加速度反应等。结果表明:输入地震波幅值和埋深是影响砂层孔压的重要因素;地震作用中,随着场地液化的发展,自下而上砂层加速度先逐渐减弱后逐渐放大;高承台桩基地震响应与土层土性、地震动大小、场地液化程度等密切相关,地震作用下场地液化容易诱发高承台群桩体系的倒塌。     

联合风场作用下车桥系统风荷载数值分析

为确定车速和风速对高速铁路桥梁车桥系统风荷载的影响,以兰新第2双线铁路32m简支箱梁和CRH2型高速列车为对象,采用Star CCM+软件建立列车和桥梁的全尺寸模型,分别对列车风场和联合风场中的车桥系统进行模拟,分析车辆风荷载和桥梁风荷载随车速和风速的变化规律。结果表明:列车风场中,随着车速的增加,车辆的侧力逐渐增大,头车和尾车的升力逐渐减小,力矩逐渐增大,桥梁的侧力、升力和力矩逐渐增大,但数值均较小;联合风场中,随着车速的增加,头车的侧力和力矩逐渐增大,尾车的升力和力矩逐渐减小,桥梁风荷载与车速的相关性相对较弱;随着风速的增加,列车的侧力和力矩逐渐增大,头车的升力先增大后减小,尾车的升力先减小后增大,桥梁的侧力和力矩逐渐增加,升力先减小后增大。     

多元复合地基荷载传递的试验研究

根据刚柔性桩组合的多元复合地基的静载荷试验数据,分析了多元复合地基中刚性桩、柔性桩的桩顶应力及桩端应力随上部荷载的变化;刚性桩桩身荷载传递规律;不同褥垫层厚度对桩顶应力及桩身荷载传递的影响。试验结果表明:刚柔性桩桩顶和桩端应力随着上布荷载的增加而增大;刚性桩桩身最大轴力不在桩顶,桩身负摩阻力随着深度增加而减小;随着垫层厚度的增加,刚性桩桩身负摩阻力增大,最大轴力位置下移。     

柔性基础下复合地基桩土应力比试验研究

桩土应力比是决定复合地基受力和变形性能的重要参数。通过现场试验,获得了柔性基础下刚性桩复合地基桩顶、桩间土及桩土应力比随荷载的变化规律。试验研究表明:柔性基础下桩土应力比在加荷初期较大,随荷载增加呈波浪形变化,而后又逐渐提高。这和刚性基础下桩土应力比随荷载增加先增大后减小的变化趋势完全不同。     

路堑边坡桩锚支护施工过程数值分析

对长沙市某桩锚支护路堑边坡的施工过程进行数值模拟,分析研究边坡开挖对周围土体变形、支护结构变形及受力的影响。结果表明:桩顶的位移先向边坡土体变形,再向坡前临空面变形;边坡开挖后坡顶的小土坡在其坡面中点高度处产生的y向位移最大;边坡开挖对坡顶的6层建筑物无太大影响;边坡土体开挖后在开挖面的中部和边缘处会出现较大的地表隆起;开挖面以上桩后各点的土压力随着开挖高度的增加出现先增大后减小的现象;第1～3排预应力锚索自由段的轴力是随开挖高度增加先减小后增大,而第4～6排预应力锚索自由段的轴力仅有增长的趋势,最终锚索的最大轴力均小于初始预应力值。