基于三维数值模拟的洪水期组合围堰结构水流作用研究

随着深水大跨桥梁的新建,各类大型围堰作为基础施工的辅助构造物面临更加复杂恶劣的水动力环境,正确计算桥梁围堰的水流力与压力分布是保证桥梁围堰设计和施工安全的重要课题。但工程实践表明:JTS 144-1-2010《港口工程荷载规范》的计算方法只能简单地计算单桩柱的水流力,对于非规则的大型墩柱结构的水流力作用问题还没有比较成熟的计算方法。为准确模拟桥梁围堰水流力,该文采用基于VOF方法的水流与结构物相互作用的三维数值模型,利用所建立的三维数值模型模拟不同流速下,尤其是洪水期的组合围堰与水流的相互作用,与实测得到的围堰压力数据进行对比,获得了围堰周边区域的水流压力分布,并给出最危险位置。     

随机车流-风联合作用下沿海大跨度斜拉桥拉索疲劳寿命预测

为了预测沿海大跨度斜拉桥拉索在车流、风和波浪等变幅荷载长期作用下的疲劳寿命，提出了沿海大跨斜拉桥拉索在随机车流、风和波浪荷载联合作用下拉索应力谱的计算方法和步骤，并基于线性疲劳累积损伤理论建立了斜拉桥拉索疲劳可靠度的计算框架。首先，根据桥上实测车流数据，建立了随机车流模型，基于桥址处风浪观测数据，运用二维Copula函数建立了桥址处风浪联合概率模型。然后，将生成的随机车流及风浪荷载作为外部激励，基于风-浪-车-桥耦合振动数值模拟平台，实现随机车流、风、浪荷载联合作用下的斜拉索应力谱的计算分析。最后，基于线性疲劳累积损伤理论推导了服役期内斜拉索疲劳可靠度及疲劳寿命预测公式，并以一座沿海大跨斜拉桥为例，结合桥址处的实测车流、风和波浪数据，计算了拉索在随机车流、风和波浪荷载联合作用下关键拉索的疲劳寿命。结果表明：车辆荷载主要影响拉索的应力响应均值，风荷载主要影响拉索的应力响应的脉动部分，而波浪荷载对拉索的应力响应影响非常小，可以忽略。此外，在随机车辆、风和波浪荷载共同作用下，拉索的日累积疲劳损伤符合威布尔分布，并且岸侧拉索的中间索疲劳寿命最低，为121年。研究成果可为沿海大跨度斜拉桥拉索疲劳可靠度分析及疲劳寿命预测研究提供参考。     

深水桥梁矩形围堰水流荷载的分流板抑制方法

围堰是深水桥梁建设顺利开展的重要平台和前提，在其节段施工中动水荷载是影响钢围堰精确定位、下沉及着床的关键因素。为减小水流作用下的钢围堰动水荷载，针对矩形围堰提出一种在尾端增加一定长度分流板的抑制方法。首先采用计算流体力学(CFD)方法基于开源分析平台OpenFOAM建立钢围堰的二维简化模型，引入修正的k-ε湍流模型用以闭合求解钢围堰超高雷诺数效应下的N-S方程，通过方形截面和矩形截面柱验证所提方法的准确性；然后针对足尺钢围堰模型分流板的设置对于钢围堰动水阻力和横向摆动力的影响进行分析，明确不同分流板长度以及前/后端分流板对动水荷载的抑制作用，提出优化可行的分流板设置方案。研究结果表明：在高雷诺数条件下标准的k-ε模型不能准确捕捉方形及矩形钝体的涡旋脱落过程，会严重低估动水荷载，采用修正的k-ε模型可准确模拟矩形钝体的绕流特性，与试验值吻合良好，可用于钢围堰的计算分析；矩形钢围堰采用圆角设置可有效减小动水阻力和横向摆动力，横向摆动频率提高；在钢围堰后端增加中央分流板可显著降低动水阻力和横向摆动力，当分流板长度在1/10钢围堰纵边长时，抑制效率最高；分流板长度超过钢围堰纵边长的75%时，尾...     

基坑锁口钢管桩围堰的受力行为分析

锁口钢围堰以其良好的经济效益及施工特点常广泛应用于桥墩基坑开挖过程中,但基于其复杂的结构特征,致使其受力特征较为复杂。该文以某大桥北岸主墩承台开挖基坑过程中所采用锁口钢管桩为例,详细分析其在施工过程中的受力特性。在3种主要不利荷载工况下,基于有限元分析软件,建立了锁口钢管桩三维整体模型。分析并验算了典型不利荷载工况下,锁口钢围堰结构的变形、强度及稳定性。数值计算结果与规范值对比分析表明锁口钢围堰结构在施工过程中满足规范要求的强度、刚度及稳定性要求,具有良好的受力性能。     

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。     

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。     

新造珠江特大桥双壁钢围堰施工监控

主要针对广州新造珠江特大桥主墩所采用的双壁钢围堰监控计算及施工监控工作进行较为详细的描述,在围堰结构荷载实测、材料实测、应力测试、位移测试等方面进行了一定的研究,积累了经验。     

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。     

防船撞装置对桥梁下部结构波浪荷载的影响研究

以跨海航道桥梁安全为背景,研究防船撞装置对桥梁下部结构波浪荷载的影响.首先总结了目前工程中常用的桥梁下部结构波浪荷载计算方法,包括理论计算、模型试验和数值模拟,然后以岱山县鱼山大桥工程为背景,利用FLUENT软件对其主桥过渡墩及引桥独柱墩进行水动力计算,得到施加有防船撞装置后结构波浪荷载的变化.研究结果表明,对于复杂工...     

基于时域分析的浮式刚构桥浪致动力响应特性研究

为研究浮式桥梁的浪致动力响应特性,建立了基于动力有限元法和状态空间模型的动力响应时域分析方法。该方法将势流分析得到的波浪力时程与浮体水动力参数应用于动力有限元模型,拟合构建辐射力状态空间模型,实现浮式桥梁的动力时域分析。基于相关文献中的浮式桥梁模型试验数据对该数值方法有效性进行验证。采用建立的方法针对浮式刚构桥在非均匀波浪作用下的动力响应开展时域计算,研究典型非均匀波浪分布条件对桥梁位移、内力等动力性能的影响。结果表明：所建立的时域分析方法具有良好的计算精度,可有效考虑浮式桥梁所受水动力效应;非对称波浪会引起桥梁的扭转运动,导致承台横摇运动和墩底弯矩响应明显提高;非均匀波浪作用下,浮式连续刚构桥主梁的水平面内位移和弯矩响应有所减小,而竖直面内位移和弯矩响应则明显提高。     

盾构隧道围岩压力的现场监测试验研究

介绍了某工程盾构隧道围岩压力的现场监测方法和测试结果,包括测量元件的选择及埋设、测试方法、测试结果及分析等.通过对试验数据的分析,得到了盾构隧道围岩压力随时间的变化规律,并对围岩压力监测值与理论值进行了对比.研究表明目前设计中常用的惯用设计法土压力计算模型是合理的,计算土压力与实测土压力基本接近.盾尾注浆压力比实测土压力大,是施工过程管片外表面受到的最大外部荷载,设计时外荷载取值应考虑盾尾注浆压力.     

江番高速公路管桩竖向承载力试验研究

基于现场试验,探讨了管桩现场施工中的质量控制,并利用软件建立土体与桩共同作用的数值模型,将有限元应用于桩-土结构进行三维有限元数值计算。分析了预应力管桩在竖向荷载作用下的承载力特性以及变形特性,并将桩在逐级加载下的沉降规律与现场静载实测结果做了对比,验证了管桩施工质量控制对承载力的影响,其结果对以后桩-土模拟及桩基工程设计有一定的参考价值。     

强涌潮地区拉森Ⅵ型钢板桩围堰施工计算

杭州钱江铁路新桥位于钱塘江强涌潮地区,部分墩水下承台基础采用拉森Ⅵ型钢板桩围堰施工.以该桥56号墩为例,介绍拉森Ⅵ型钢板桩围堰施工及计算.钢板桩围堰施工期间,其外侧土压力按静止土压力,内侧土压力按被动土压力计算.2种最不利工况,第1种为钢板桩围堰吸泥完成到封底前,主要确定钢板桩入土深度及验算钢板桩、围檩及内支撑强度和刚度;第2种为钢板桩围堰抽水完成后,仅验算钢板桩围堰、围檩及内支撑强度和刚度.强涌潮时分2种工况计算:第1种为在钢板桩围堰整体计算模型上增加迎潮面涌潮压力;第2种为在钢板桩围堰整体计算模型上增加迎潮面和两侧面涌潮压力.     

深水区复杂地质钢围堰的设计及施工技术

水中承台施工过程中,一般要设置挡水结构物,柴埠大桥主墩承台埋置较深,桥位处地质条件复杂。根据现场实际情况,对主墩承台范围内河床进行整平处理后,采用钢围堰作为承台施工挡水围堰。本文重点介绍深水区复杂地质条件下,钢围堰的设计和施工。     

基于势流理论的跨海桥箱梁斜向波浪荷载作用研究

为分析斜向波浪对跨海桥箱梁的影响,提出斜向波浪作用下跨海桥箱梁所受波浪荷载的理论计算方法。该方法基于势流理论建立斜向波浪-桥梁作用的数学模型,利用特征展开匹配法及伯努利原理计算箱梁所受的斜向波浪荷载。以平潭海峡公铁大桥为背景,对比分析淹没状态下箱梁的无量纲波浪荷载理论计算值与水槽试验值,验证所提出理论计算方法的准确性,分析波浪入射角和结构几何特征参数对斜向波浪荷载的影响规律。结果表明：所提出的跨海桥箱梁斜向波浪荷载计算方法准确、高效;波浪入射角对箱梁所受波浪荷载有显著影响,由长周期波浪引起的垂直波浪荷载对入射角的变化更为敏感;在斜向波浪作用下,结构的几何特征对箱梁所受水平方向波浪荷载的影响更为显著。在跨海桥箱梁设计时,建议考虑结构尺寸与斜向波浪入射角对波浪荷载的影响,通过结构优化与合理的桥位布置来降低波浪荷载对桥梁上部结构的影响。     

大直径深水钢围堰设计施工技术研究

以广州新造珠江大桥为依托,对深水大直径双壁钢围堰的设计和施工技术进行研究。综合考虑珠江水系的地质、水文、潮汐及吊装能力等因素,设计了高18m、外径32.05m的双壁钢围堰,并计算了双壁钢围堰的强度、刚度与稳定性。提出深水大直径圆形双壁钢围堰的水上整体对接工艺流程、三维定位系统及精细定位方法,研发了独特的对接构造及施工工艺,明确了围堰定位荷载值并对定位系统的主缆和锚碇进行了安全评价,形成了基于水下切割预置构造的部分围堰回收周转再利用技术。通过工程实践,提出的成套技术可以保障大直径深水钢围堰工程安全、精准、整体对接,为类似工程提供参考。     

小榄水道桥L2号墩承台钢板桩围堰设计与施工

本文介绍了小榄水道桥主L2号墩承台钢板桩围堰的设计及施工方案,设计中选用钢板桩作为主受力结构,选用钢管作为内支撑结构,围堰结构采用手动计算为主,软件辅助的方法进行验算。土压力采用朗金理论进行计算,钢板桩结构采用等值梁法和盾恩近似法进行计算。因水的流速很小,在围堰结构验算时忽略不计。     

冲击钻孔桩施工对临近建筑影响的数值模拟分析

以某一大跨径连拱旧桥下进行冲击钻孔桩施工为例,介绍冲击钻冲击荷载的数学模型,提出一种基于有限元的数值模拟方法评估冲击钻孔施工对临近建筑的影响。通过影响区域三维实体精细仿真模拟,并采用弹性-阻尼边界控制三维实体仿真范围,以三角形模型模拟冲击钻冲击荷载,实测数据表明该方法具有较高的准确度和工程应用价值。     

动载-渗流耦合作用下铺装层孔隙水压力响应特征研究

孔隙水压力的反复作用是铺装层发生水损坏的主要成因之一,本文采用有限元数值仿真模拟结合现场试验测试的方法对沥青路面孔隙水压力响应特征进行研究。仿真计算结果表明,在半正弦荷载的作用下,饱水沥青路面孔隙水压力的正峰值在加载曲线峰值附近出现,卸载后孔隙水压力迅速达到负峰值,随后逐渐衰减至零,而现场实测的孔隙水压力特征曲线则呈现周期性震荡衰减的特点,孔隙水压力峰值与车速正相关,不同车速下负峰值的绝对值相当于正峰值的1/6～1/4,孔隙水压力的震荡周期与峰值会持续衰减,同时,实测数据也验证了仿真模型边界条件的合理性与计算结果的正确性。     

复杂环境荷载下斜拉桥单塔结构动力响应试验

就目前斜拉桥桥塔结构在复杂环境荷载(地震、波浪和水流)联合作用下的动力学模型,针对其构建难度高和数值模拟技术不成熟等问题,以某一试设计的斜拉桥中的桥塔为研究背景,首先利用重力-弹性力相似律和等效变换方法设计了几何比尺为1∶100的桥塔-群桩基础试验模型;其次设计了无水环境下白噪声扫频、正弦波共振,有水环境下地震、正弦波浪和水流单独/联合加载分级加载制度;最后采用大连理工大学的地震、波浪和水流联合模拟试验系统对该模型进行地震、波浪和水流单独/联合作用下的动力响应试验,分析了复杂环境荷载(地震、波浪和水流)作用下斜拉桥单塔结构上动水压力的变化趋势、动力响应特性和破坏机制。试验结果表明:当斜拉桥桥塔结构遭遇随机荷载作用时,加速度响应主要位于承台处,群桩上部和桥塔下部为应变较大区域,地震作用对动水压力贡献最大,波浪作用次之,水流影响最小;斜拉桥桥塔顶部动力响应幅值与输入的地震动特性相关,当地震荷载和高海况正弦波浪联合作用时,地震对桥塔顶部的加速度贡献较大,波浪作用贡献较小,但是也不容忽视。试验结果可为超大跨深水基础斜拉桥抗震设计规范的修订提供重要的参考。