桥梁水毁研究综述

近年来，桥梁水毁日益频发，已成为桥梁倒塌失效的首要因素。从冲刷、洪水2类最主要的水文因素出发，充分结合历史数据，分析并对比其对桥梁水毁的影响程度与规律；并按2类水文因素所对应的不同桥梁倒塌失效模式，对桥梁水毁现有的研究工作和方法进行总结归纳；最后，聚焦实桥应用，对现有桥梁水毁监测和诊治手段进行全面梳理。综述可得以下结论：①冲刷是导致桥梁水毁的最主要因素，所致失效桥型以桁架桥、梁桥、拱桥为主，桥梁服役时间、结构安全状态、年平均径流量均与桥梁所受冲刷程度存在较强相关性；②冲刷坑空间形态数值仿真与试验结果仍有一定差距，其泥沙模型缺少考虑床沙级配的影响，经验公式法尚需突破计算维度的局限性，完善考虑时间因素和黏性土的冲刷深度预测；③现阶段洪水波流竖向升力计算公式较少考虑脉动压力，浪荷载水槽试验尚未完全探明波浪特性与作用力间的联系，桥梁可靠度研究多见以冲刷为主的多灾害下联合效应计算，仍缺少波流、浪力作用与地震动水作用等其他灾害联合作用的深入探讨；④桥梁抗水目前仍局限于流场与结构域的独立研究，未见不同水文因素下基于结构域-流场多场耦合的桥梁失效模式分析；⑤雷达、声波以及潜水员水下检测是现阶段桥梁冲刷主流监测方式，桥梁冲刷动力识别适用于复杂环境下大规模、区域性桥梁检测，但仍有待进一步的应用研究，而既有桥梁水毁诊治手段在具体实施时需因地制宜，避免反而加剧水文病害。     

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%。     

桥墩局部冲刷防护试验研究

在公路桥梁水毁中，有不少是因为基础埋深不够所致，如能对浅基桥墩进行局部冲刷防护加固，则可以避免或减少水毁，故此需预测桥墩局部冲刷深度和范围。１９９０年作者在西安公路学院水力实验室对陕西省石泉汉江大桥的防护进行了专项试验，对桥墩局部冲刷深度计算和冲帽防护的研究成果进行了试验与完善。     

桥梁在洪水状态下的失效形式分析

对于跨河桥梁，桥梁结构安全风险因素除了超载外，超标洪水对桥梁冲刷是跨河桥另一重大隐患。大量桥梁水毁实例资料显示，跨河桥在超标洪水作用下易出现基础冲刷掏空导致桩基承载力不足、板式橡胶支座滑移导致桥梁错位、上部结构直接漂浮滑移、上部结构直接横移倾覆等桥梁失效形式。因此，以合肥市南淝河上4座重点跨河桥为例，对桥梁在超标洪水下的的失效形式进行分析，以期为同类型桥梁在洪水状态下的失效形式分析提供参考。     

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。     

应用显式积分法的桥梁地震倒塌全过程有限元仿真分析

通过对传统有限元方法进行一系列改进,实现地震倒塌仿真分析。采用基于显式积分的动力时程分析手段,建立了基于三维实体单元的钢筋混凝土桥梁仿真分析模型,并对钢筋混凝土构件断裂、碰撞,采用失效单元技术及引进接触算法进行分析模拟。计算了Loma Prieta地震中倒塌的Cypress高架桥,并对其地震倒塌机理进行探讨。分析结果表明,倒塌仿真分析可以较好地再现桥梁地震倒塌全过程,对于结构倒塌破坏的机理研究具有重要意义。     

桥梁整体安全余度及抗连续倒塌问题研究方法

桥梁结构的安全余度是指桥梁在个别构件失效后的剩余承载能力。在桥梁结构中任何构件都不是单独工作,而是始终处在相互作用影响下。现代桥梁在运营阶段部分构件的损伤与破坏不可完全避免,为了保证部分构件失效时结构具有良好的抗连续倒塌能力以确保结构的整体性,近年来,欧美国家颁布了结构抗连锁倒塌设计标准,以改善结构的安全余度储备。本研究通过对桥梁安全余度和抗连续倒塌研究发展状况的简要评述,介绍了结构安全余度的定义,讨论了桥梁安全余度和抗连续倒塌分析及评价的3类方法的演变和发展。判定性方法主要是基于桥梁的在荷载作用下的位移、承载力、能量、结构构件敏感性在桥梁破损发生后的变化确定结构的安全储备;结构概率方法是基于可靠理论针对桥梁在特定荷载作用下的相对可靠指标进行分析以求得结构的失效概率;基于风险分析方法主要是在确定了结构面临的风险以及相应的结构易损性后着重考虑了结构倒塌对于经济、社会、环境等方面的综合影响。指出了目前桥梁安全余度和抗连续倒塌分析的研究与应用方面的缺陷,并提出有待进一步研究的问题。文中指出:判定性方法应计入荷载作用形式对桥梁破坏过程的影响;对复杂结构桥梁安全余度评定制订出相应的应用标准;完备关于连续倒塌各方面影响的相关预测数据作为基于风险分析方法分析的基础。     

曲线形刚性肋加劲连续钢桁架桥动力特性分析

三桁加劲连续钢桁架桥结构形式新颖独特,既具有桁架桥结构受力特点,又因抛物线形刚性肋的加劲作用而区别于一般桁架结构。桥梁结构的动力特性是抗风抗震计算的重要参数,也是谱分析和瞬态动力学分析的基础,利用ANSYS有限元软件,以东江大桥为研究背景进行仿真模拟,求出其自振频率、振型等动力参数,总结此类结构的自振特性,为同类桥梁的设计提供参考。     

钢桁-混凝土组合结构梁桥连续破坏-倒塌动态行为研究

近年来交通荷载激增，桥梁构件破坏和整体结构倒塌时有发生，造成重大人员伤亡和经济损失。其中，相对其他形式结构桥梁，钢桁-混凝土组合结构桥梁冗余度较低，重载作用下构件的初始破坏易引发桥梁整体倒塌，故明确钢桁-混凝土组合梁桥连续倒塌机理和模式，对该类桥梁抗连续破坏-倒塌设计具有十分重要的理论和工程意义。因此依托钢桁-混凝土组合连续梁桥实体工程，采用能量法和显式动力学数值分析方法，对其构件重要性、破坏后剩余结构冗余度和倒塌动态行为开展研究。研究结果表明：最不利荷载作用下，钢桁-混凝土组合连续梁桥边跨正弯矩最大区域下弦杆破坏后剩余结构的最低冗余度为1.94，而边跨梁端支点附近腹杆破坏后剩余结构的最低冗余度为1.61。组合梁边跨正弯矩区下弦杆破坏后剩余结构遵循转动铰机制倒塌，破坏路径较长，结构整体倒塌前具有显著变形，最大竖向位移达到60.1 cm；组合梁支点区域腹杆破坏后剩余结构遵循滑移面机制倒塌，破坏路径极短，倒塌前整体结构无明显变形，最大竖向位移仅为9.1 cm，结构破坏呈明显脆性特征。腹杆失效所形成的滑移面倒塌机制对钢桁-混凝土组合结构梁桥极为危险，需重点设计预防。通过对钢桁-混凝土组合连续梁桥破坏路径的研究，探明了该类结构各构件的重要性分布特征和结构连续倒塌机制，为提高同类型桥梁抗破坏-倒塌性能提供理论依据和设计方法。     

深水高桩基础桥梁船撞倒塌数值模拟

采用数值模拟方法对深水高桩基础桥梁船撞倒塌事故进行仿真模拟,建立了事故桥梁上、下部结构及船舶的精细化有限元模型,并将弹塑性损伤帽盖模型用于混凝土,弹塑性随动强化模型用于钢材及钢筋。模拟结果再现了被撞桥墩及全桥的倒塌过程,揭示桥梁结构连续倒塌的机理,证明数值模拟方法的有效性及弹塑性帽盖模型作为混凝土本构的合理性。     

基于车辆制动激励和小波包能量分析的连续梁桥基础冲刷识别方法

近年来，因基础冲刷引发的桥毁事故频发，冲刷会造成桥梁下部结构周围土体被破坏进而导致基础承载力下降，并且由于冲刷位置隐蔽增加了识别检测的难度。为了精准识别桥梁下部结构的基础冲刷损伤，利用车辆制动作用可引起更为显著的桥梁下部结构纵桥向动力响应这一特点，提出了一种基于车辆制动作用下桥梁动力响应小波包能量分析的连续梁桥基础冲刷识别方法。该方法选择典型三轴车制动作用作为动力激励，利用小波包对冲刷前后的车辆制动作用下桥墩顶纵桥向加速度响应进行分解，提出以小波包能量方差变化率作为冲刷识别指标，实现基础冲刷位置识别；进而通过数值模拟方法建立包含多种冲刷程度与对应测点冲刷指标值的样本库，拟合分析确定冲刷识别指标值与冲刷程度间的函数关系，通过识别出的各测点冲刷指标值基于模式反演方法实现冲刷程度的量化识别。一座混凝土连续梁桥工程实例的分析结果表明，该方法能够实现梁桥基础冲刷的定位和定量识别，抗噪能力强，且识别结果受桥面不平度、制动位置、车质量和初始车速等因素影响较小。该方法在试验过程仅需在桥墩顶安装加速度传感器，可借助常规的桥梁荷载试验项目实现，具有测试简便易行、识别精度好等特点，适于公路梁桥基础冲刷的快速检测。     

近30年桥梁基础冲刷研究进展及关键问题

近年来，基础冲刷导致的桥梁灾害频发，冲刷已成为威胁涉水桥梁安全的重要原因。基于前人已有的成果，对近30年来桥梁基础冲刷领域的相关研究进行了系统分析。首先采用信息量化分析技术给出了近30年桥梁基础冲刷研究的创新研究成果参数，呈现了冲刷研究领域的知识结构体系，探索了其研究热点。研究结果表明：①桥梁基础冲刷研究论文数量呈现上升趋势，特别是最近几年论文数量增速加快，研究热度提高，其中一些主要文献表现出很高的被引用频率，受到研究人员的重点关注；②研究成果主要集中于桥梁基础冲刷机理、冲刷深度预测、现场监测方法和冲刷防护措施等方面；③研究的新兴热点涉及复杂桥梁基础周围的三维流场特性分析、基于不同算法和随时间演变的冲刷深度预测。此外，对跨海桥梁基础冲刷研究的进展进行了分析，总结了不同条件（水力特性、沉积物条件、基础结构形式及空间布置方式等）对跨海桥梁冲刷的影响；阐述了现有冲刷深度分析方法应用于跨海桥梁冲刷深度预测时存在的问题；对比分析了几种冲刷监测方法的优点、不足及精度影响因素；指出跨海桥梁基础冲刷需要加强对复杂海域环境下桩基冲刷机理、冲刷深度预测及冲刷安全监测评估方法的研究。最后提出：桩-土-潮流相互耦合作用的局部冲刷机理研究、排除水流及悬浮泥干扰的实时监测设备研发、考虑围垦等人类活动对跨海桥梁基础冲刷影响及包括冲刷在内的多灾害分析将是今后研究发展的趋势。     

桥梁基础局部冲刷CFD模拟的研究进展

局部冲刷是涉水桥梁失效的主要原因之一。合理的桥梁基础局部冲刷估计，对保证桥梁基础的设计、施工和维护具有重要意义。基于CFD开展桥梁基础局部冲刷研究具有现场观测和水槽试验不具备的诸多优点。首先阐述了桥梁基础局部冲刷CFD模拟的控制方程、湍流模型和泥沙输运模型，以及报导的主要CFD模拟软件；介绍了国内外研究进展，总结了现有研究存在的不足，分析了其中的原因，探讨了局部冲刷CFD研究的发展方向。分析表明，现有CFD局部冲刷研究存在流动Re数过小、未考虑来流湍流特性或来流湍流特性估计不足、湍流模型对流动的非定常特性捕捉不足，以及采用经验性的定常流泥沙输运模型等问题，使得局部冲刷坑形态和最大深度估计与试验不符。一种有望解决上述问题的途径是采用大涡模拟数值求解欧拉-欧拉两相流方程，通过求解流体相和泥沙相的质量和动量方程，采用合适的泥沙相和流体相的压格子封闭模型，并合理模拟泥沙相内相互作用和泥沙相与流体相的相互作用，通过组合壁函数实现高效数值求解，以获得桥梁基础局部冲刷的合理估计，从而推动局部冲刷CFD模拟向大尺度模型和高流动Re数发展。     

广东河源东江大桥倒塌事故分析

2019年6月14日，广东省河源市东江大桥发生倒塌事故，对此次事故进行研究，初步分析事故原因，为有关事故鉴定部门提供参考依据。针对此次桥梁倒塌发生的原因，通过以下步骤进行分析：①系统地收集事故相关资料，包括事故监控视频、事故残骸照片、桥面车辆行车记录仪画面、桥梁设计图纸。②根据倒塌视频、照片等资料结合拱桥力学特性对事故原因进行初步推测，提出几种可能导致该桥倒塌的因素。③基于设计图纸建立有限元静力模型，模拟验证得到最有可能导致此次事故的因素，并建立动力模型，还原倒塌过程，验证初步推测得到的事故原因。研究结果表明：事故桥3^#墩存在明显的横桥向偏位，使相邻2跨主拱圈的内力发生了显著不利影响，并且越靠近拱脚位置结构更易失效，应力的变化引起第3跨拱脚强度薄弱处最先发生破坏，引起连锁倒塌；早晚温差对事故桥内力的变化影响很小，可以忽略不计；3^#墩顺桥向偏位对相邻2跨主拱圈所带来的内力变化与实际破坏情况不符，可以排除其为事故主要原因。     

桥梁倒塌模式识别方法:理论分析

针对连续梁桥和单塔斜拉桥2种桥型,提出了基于极限分析理论的桥梁倒塌模式识别方法.首先建立以破坏点位置和位移为参数的单塔斜拉桥及连续梁桥的倒塌模型,运用极限分析理论求解导致桥梁部分或整体倒塌所必须包含的破坏点及其破坏形式,并得到极限承载力.与有限元计算方法的比较可知,该方法可用于桥梁概念设计阶段,以快速识别桥梁倒塌模式,...     

大跨连续刚构弯桥弯曲效应研究

借助有限元软件,建立某连续刚构弯桥的三维仿真分析模型,通过对不同曲线圆心角引起的结构受力和变形进行比较,归纳出圆心角对于大跨径连续刚构弯桥静力特性的影响,对大跨连续刚构弯桥的设计和计算提出相应的建议。     

四渡河特大桥隧道式锚碇数值模拟

采用数值模拟方法研究了悬索桥隧道式锚碇系统的力学行为特征、围岩稳定状态、锚碇变位机理和拓扑效应。就锚碇体轴线倾角、长度、夹持角、接触界面粗糙度及结合程度对锚碇位移和岩体安息稳定性的影响作了深入探讨。研究发现:夹持角控制着锚碇变位和破坏机理,夹持角过小时锚碇压密围岩土体,较大时锚碇前端附近土体则产生剪切破坏;锚碇长度影响接触面围岩应力量值,表现为非线性的自组织临界特征;锚碇体粗细对系统主要监控参数的贡献相对均匀。给出了锚碇拓扑参数的取值范围和针对性的设计措施,为悬索桥隧道式锚碇的优化设计提供了理论基础。     

使用非线性粘滞阻尼器的桥梁在地震反应中的响应分析

通过对粘滞阻尼器的非线性力学特性及工作机理进行分析,建立了桥梁使用液体粘滞阻尼器的地震反应分析模型及方程,提出了引入直接积分法的阻尼非线性在桥梁地震瞬态反应分析中的数值求解方法,对这种装置的减震性能进行了研究。使用该非线性动态时程分析方法编制的程序对使用粘滞阻尼器的吉林某特大桥进行地震反应分析,探讨了使用新型结构保护装置对连续箱梁桥地震响应的影响。结果表明,液体粘滞阻尼器可以控制主梁和非刚结墩之间传递的水平推力,可以减小刚结墩上的内力,同时也增大非刚结墩的内力。该计算方法对非线性阻尼分析有效,使用液体粘滞阻尼器可以有效减小结构地震力。