桥墩形式对泥石流浆体冲击效应的影响分析

泥石流冲毁桥墩对桥梁的危害巨大。借助数值模拟分析手段,研究不同截面形式的桥墩在泥石流冲击作用下的差异。综合分析泥石流流域、桥墩受到的冲击压强、冲击力以及拉应力,得到泥石流作用下最优桥墩选型。研究表明,不同截面的桥墩对泥石流浆体的分布影响较大,圆端形墩和尖端形墩的排导能力优于矩形墩;不同截面形状的桥墩受到的冲击力差异明显,矩形墩对泥石流的阻力普遍大于圆端形墩和尖端形墩。综合模拟结果分析,建议在泥石流易发区域架设桥梁时,应优先选择圆形或者圆端形墩。     

线性剪切流作用下设置沉井施工期受力特性研究

为研究水流作用对设置沉井施工期受力特性的影响，采用线性剪切流模拟非均匀流，建立水流-圆形设置沉井相互作用模型，分析不同施工阶段圆形设置沉井与水流的相互作用情况，并与均匀流作用进行对比。结果表明：线性剪切流作用下圆形设置沉井水流力及水流力矩随流速的增加均呈平方关系。线性剪切流呈表面流速大、底层流速小的规律，对结构尾流区的涡漩有显著抑制作用，与均匀流作用相比，线性剪切流作用下结构受力偏小。随着沉井不断下沉，结构吃水深度增加，过水断面进一步压缩形成了绕流，引起局部压力及水流力成倍增加。     

不同形状桥墩冲蚀磨损特征及机理对比研究

为研究在水流携砂作用下不同形状桥墩冲蚀磨损的特征及机理,采用FLUENT中的DPM模型,结合混凝土冲蚀磨损计算公式,对圆形、正方形、斜置正方形和菱形桥墩冲蚀磨损进行数值模拟。研究4种形状桥墩的冲蚀磨损分布及其周围流场分布,以分析其冲蚀磨损机理,在此基础上,对比分析其抗冲蚀磨损性能及冲蚀磨损破坏方式。结果表明:当水流流速为1 m/s、砂粒粒径为0.5 mm时,桥墩冲蚀磨损分布数值模拟结果与工程实际较为接近;不同形状桥墩周围流场特性差异使得不同形状桥墩冲蚀磨损分布有所不同,圆形桥墩迎水面两侧壁面冲蚀磨损最严重,正方形桥墩迎水面与两侧面相交的棱线处最严重,斜置正方形、菱形桥墩两侧棱线附近壁面最严重;4种形状桥墩抗冲蚀磨损性能的大小关系为斜置正方形菱形圆形正方形,且冲蚀磨损破坏主要是由硬质砂粒的切削作用引起。     

规则波浪作用下对称八边形沉井受力数值模拟研究

为研究对称八边形沉井结构较传统沉井结构对周围流场遮蔽效应与受力激增的改善作用,采用数值模拟方法进行沉井结构受力特性分析。基于RNG κ-ε湍流模型及RANS方程,采用Flow3d软件建立水槽三维数值模型,在验证数值模型有效性的基础上,分析对称八边形、圆端形和矩形沉井结构在入射角为0°、30°、45°、60°、90°的规则波浪作用下,各结构周围流场的流速分布特性与波浪力,并与《港口与航道水文规范》(JTS 145—2015)的计算结果对比。结果表明：对称八边形沉井结构可有效改善传统沉井结构对周围流场的遮蔽效应与受力,使结构周围流场流速分布更均匀;与入射角为0°相比,入射角为30°～60°时,对称八边形、圆端形、矩形沉井结构所受的最大总水平波浪力激增1.5～1.8倍,建议在实际工程设计中考虑入射角的影响;入射角为90°时,规范计算的矩形沉井结构波浪力低于数值模型计算的对称八边形沉井结构波浪力。入射角为0°～90°时,规范计算的圆端形沉井结构波浪力均高于数值模型计算的对称八边形沉井结构,建议采用圆端形沉井结构计算方法指导对称八边形沉井结构设计。     

桥梁墩台局部冲刷的数值模拟分析

依托实际工程,应用数值模拟的方法分析圆形和矩形沉井在不同流速、流向等条件下桥墩周围流场分布情况,并与物理模型试验结果进行对比。结果表明,数值计算结果与物理试验结果吻合良好;交角不同,局部冲刷坑的外形轮廓也发生相应的变化。     

常泰长江大桥主航道桥桥塔基础选型研究

常泰长江大桥主航道桥为主跨1176 m公铁合建斜拉桥,桥塔基础采用沉井方案。为降低沉井自重和减少桥墩局部冲刷,采用理论分析、数值模拟与水槽冲刷试验相结合的方式对沉井基础型式进行研究。结果表明:在圆端形、梭形及矩形3种截面型式的沉井中,圆端形截面沉井的水流阻力系数最小;台阶型沉井相比传统沉井可以削弱墩前向下旋辊及减小墩侧高流速区的范围;台阶型沉井台阶宽9.0~10.0 m、台阶顶埋深位于0.6 H(H为沉井周边水深)处、挡墙高度为0.15 H时,可以起到较好的减冲刷防护效果。根据研究结果最终确定该桥采用圆端形截面台阶型沉井基础,其底面尺寸为95.0 m×57.8 m(横桥向×顺桥向),圆端半径28.9 m,台阶宽9.0 m,埋置在床面以下0.6 H处,台阶顶构造采用直角挡墙方案(挡墙高约4 m)。     

高压喷射GDI喷孔几何结构对喷孔内流及喷雾特性的影响

采用大涡湍流模拟结合多相流耦合喷雾的方法对GDI喷孔内流和喷雾特性进行了数值研究,着重分析了喷射压力及喷孔结构形状对喷孔出流特性和液滴粒径的影响。结果表明:提高喷射压力有利于增加喷孔出口流速及湍动能,增强燃油破碎;当喷射压力提高到30 MPa之后,进一步提高喷射压力时索特平均直径(SMD)变化不明显,但小粒径占比显著增加;对于变截面喷孔,变截面双曲线喷孔出口处速度和湍动能最大,其SMD最小,小粒径占比最多,有利于喷雾质量提高;与渐缩形喷孔相比,渐扩形喷孔出口处湍动能较大,有利于喷雾初次破碎,然而较多的空泡堵塞喷孔,喷孔出口处流速较低,不利于燃油二次破碎。     

基于OpenFOAM的矩形断面涡激振动数值模拟

针对结构涡激振动数值模拟问题,以开源流体动力学计算软件OpenFOAM 3.0为平台建立结构涡激振动数值模拟方法,即将结构涡激振动问题简化为单自由度振子模型,采用Newmark-β法进行结构振动方程求解,应用OpenFOAM动网格求解器进行动网格计算与更新。以宽高比为5的矩形断面为例,首先采用3种不同的雷诺平均(RANS)湍流模型(即SST k-ω,k-ε和k-ω模型)进行风攻角为a=0°,2°,4°,6°时静止绕流计算,以检验不同湍流模型的计算精度;然后对矩形断面在0°风攻角下竖向涡振响应进行了数值模拟,并与已有文献和试验结果进行比较。研究表明:3种湍流模型的计算结果总体较为接近,且与试验结果较为吻合,其中SST k-ω湍流模型的计算结果与试验结果吻合相对最好;对于升力系数和升力矩系数,3种湍流模型的计算结果都与试验结果存在一定的差异;总体而言采用OpenFOAM的SST k-ω湍流模型所得静止矩形断面绕流计算结果与试验结果吻合较好。矩形断面涡激振动响应数值模拟结果与试验结果相比锁定风速区间有一定前移,且最大涡振振幅较试验结果略偏大。     

断面形状对隧洞围岩位移和应力的影响分析

采用FLAC3D软件分析了圆形断面、矩形断面、直墙式断面和曲墙式断面形状隧道开挖在III级围岩中的位移和应力集中分布规律。圆形断面隧洞围岩位移最小,应力集中系数最小,塑性区厚度最小,应力集中系数最大点距洞面的距离最大,即支护结构受到的围岩压力最小;与圆形断面隧洞相比,曲墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅次于圆形隧洞,曲墙式断面是合理的隧洞断面形式;矩形隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区最大;直墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅比矩形隧道略小,与矩形一样,直墙式断面是不利的隧洞断面形式。     

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%。     

洪水对桥墩的瞬间冲击效应

为研究洪水对桥墩的瞬间冲击效应大小与规律,采用数值仿真软件ANSYS-CFX(在ANSYS Workbench平台上,采用瞬态结构模块ANSYS和流体分析模块CFX,并将2个模块进行关联)对洪水冲击不同截面形式桥墩过程进行了流固耦合瞬态模拟,首先明确了冲击放大系数和冲击效应系数的概念,并定义了冲击效应系数的表达式,然后分析了瞬间冲击效应以及流固耦合效应与洪水行近流速、水量高度之间的关系,揭示了瞬间冲击响应较大的原因,最后将冲击之后的绕流压力与规范计算值进行了对比。分析表明:(1)冲击放大系数随着水量高度的增加而增大,增加的速率随着水量高度的增大而减小,通过比较,圆形墩的冲击放大系数最大,方形墩次之,矩形墩最小;(2)瞬间冲击效应随着洪水行近流速和水量高度的增大而增大,在水量高度较高大时(0.75H),瞬间冲击效应不容忽视,在相等的水量高度下,冲击效应随流速增大呈非线性增加的趋势,相比之下,圆形截面墩冲击效应最显著,冲击放大系数为1.67~2.62。综合考虑瞬间冲击效应和流固耦合效应,建议铁路桥梁规范对水流力取值适当乘以一个放大系数。     

立体改扩建道路桥墩与高填方拓宽路基交叉影响研究

在立体改扩建道路高填方路基段边坡平台设置立体层桥梁，为研究桥墩与边坡的相互影响，分析总结了高陡边坡段桥墩常见病害类型和位移规范限值。并结合工程案例，借助有限元分析软件，建立数值模型，探究立体改扩建道路桥墩与高填方路基交叉影响。结果表明：地面层拓宽路基最大沉降发生在拓宽路基荷载形心处，立体层桥梁竖向和横向最大位移均发生在墩顶靠近拓宽路基最大沉降点一侧；对拓宽地基进行地基处治，能有效减少拓宽路基差异沉降和立体层桥墩位移；合理选择桥墩布设位置、路基边坡坡率和桥梁桩基深度，可以有效减小立体层桥墩的竖向和横向位移。     

桩间净间距对不同截面抗滑桩土拱效应的影响研究

选取圆形与矩形两种典型截面，运用PFC2D离散元程序，建立不同桩间净距比n的抗滑桩模型，并通过离心机试验与其中一组模型进行对比，研究桩间净距比对土体颗粒移动、力链网络分布、土拱最大承载力与桩土荷载分担比的影响。结果表明:矩形桩的土拱现象比圆形桩明显，且矢高较大；同一n时，圆形桩的土拱极限承载力是矩形桩的73%~84%，桩土荷载分担比是92%~97%；随n增大，土拱矢高减小，土拱极限承载力呈折线形下降，荷载分担比呈线性减小，截面形状作用影响减弱。     

均匀流场串列双矩形断面涡激振动气动干扰试验

针对串列双矩形断面涡激振动气动干扰问题,在均匀流场下,分别对不同间距比D/B、不同阻尼比条件下上、下游矩形断面涡激振动气动干扰效应进行了风洞试验研究,并将上、下游矩形断面涡激振动锁定区间、涡激共振振幅与单矩形断面进行了对比。结果表明:串列双矩形断面竖向涡激振动锁定区间、上游矩形断面扭转涡激振动锁定区间不因上、下游矩形断面间距比及阻尼比的影响而改变,下游矩形断面扭转涡激振动锁定区间随上、下游矩形断面间距比的变化而略有变化;上、下游矩形断面净间距和阻尼比对上、下游矩形断面竖向涡激及扭转涡激共振振幅有影响;对于上游矩形断面竖向和扭转涡激振动,D/B=0.5时干扰效应达到最大,D/B≥4时气动干扰效应可以忽略;而对于下游矩形断面的竖向和扭转涡激振动,D/B=0.5时干扰效应达到最大,D/B≥7时仍存在气动干扰效应,且表现为抑制作用。     

不同角度荷载作用下椭圆形钢管混凝土桥墩压弯性能研究

椭圆形钢管混凝土桥墩的流线外形可以有效降低水流等的作用，但是其截面特性较为复杂，尤其是当荷载沿非对称轴方向作用时，容易发生扭曲而降低强度。为了研究不同角度荷载作用下椭圆形钢管混凝土桥墩的压弯性能，本研究采用数值分析软件，建立并通过试验验证了可以精确模拟圆形钢管混凝土桥墩力学性能的数值分析模型。进一步地，利用模型分析了0°～90°不同角度加载时椭圆形钢管混凝土桥墩的压弯性能，分析了不同荷载角度对承载性能的影响规律。结果表明，随着加载角度从0°增加到30°、60°、90°,椭圆形钢管混凝土桥墩极限压弯承载力分别下降了5.38%、27.18%、37.03%;初始刚度随着荷载作用角度的增加而降低，屈服位移和极限位移随着水平荷载作用角度的增加而有所上升。本研究的结果可为椭圆形钢管混凝土桥墩的设计提供借鉴。     

类矩形隧道地铁振动在软土地层中传播衰减数值模拟研究

依托宁波地铁4号线，采用数值计算方法研究了类矩形隧道地铁振动的传播衰减规律，并将隧道埋深和土层弹性模量作为参数研究其对规律的影响。最后，将类矩形隧道与双圆形隧道的研究结果进行对比分析，结果发现两种隧道在水平方向和竖直方向的振动响应都随距离增大而减小。隧道埋深增加，两种隧道振动响应均减小，但类矩形隧道减振效果优于双圆形隧道；土层弹性模量越大，振动响应越小，同一隧道埋深下，3种地层中类矩形隧道振动响应都小于双圆形隧道。     

高墩连续刚构桥不同影响因素的地震响应分析

以某连续刚构桥为背景,建立了考虑主梁-桥墩-桩基-土层的有限元模型,分析了地震荷载作用下桥墩高度、桥墩截面、双肢薄壁墩间距等影响因素对桥梁典型截面内力及变形的影响。结果表明:在桥墩高度为60~65 m范围内,中墩顺桥向剪力基本稳定,不再随桥墩高度的增加而递减;桥墩高度的增加增大了梁体脱落的风险,桥墩高度为100 m时梁体中跨跨中截面顺桥向与横桥向位移达到139.1,97.5 mm;从抗震角度分析,圆形截面桥墩对位移影响较大,空心矩形桥墩截面与实心矩形桥墩截面形式对墩顶内力的影响不大,故空心墩较节约材料;对于文中连续刚构桥,合理的双肢薄壁墩间距能有效降低墩顶受力与梁体位移,能有效提高地震作用下的安全系数。     

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...     

不同截面形式的波纹钢综合管廊结构受力性能分析

本文依托平遥古城基础设施提升改造项目中综合管廊建设工程,针对波纹钢综合管廊结构,利用有限元软件构建不同截面形式的三维土层-结构数值模型,探究不同截面形式对波纹钢管廊结构受力特点及变形规律的影响。揭示了不同断面形式的波纹钢管廊结构最不利受力位置,最后分析了超载作用对波纹钢管廊结构受力性能的影响。研究结果表明：矩形断面波纹钢综合管廊结构受力性能良好。圆形断面和马鞍形断面结构腰部位置横向变形和内力最大,而矩形断面结构四个角处节点的变形和受力最大。不同断面形式的管廊结构底部均向内收缩变形,且管廊结构竖向变形量比横向变形量大,因此在实际工程中应关注波纹钢管廊结构变形量,尤其是结构竖向变形。     

不同截面形式的波纹钢综合管廊结构受力性能分析

本文依托平遥古城基础设施提升改造项目中综合管廊建设工程,针对波纹钢综合管廊结构,利用有限元软件构建不同截面形式的三维土层-结构数值模型,探究不同截面形式对波纹钢管廊结构受力特点及变形规律的影响。揭示了不同断面形式的波纹钢管廊结构最不利受力位置,最后分析了超载作用对波纹钢管廊结构受力性能的影响。研究结果表明：矩形断面波纹钢综合管廊结构受力性能良好。圆形断面和马鞍形断面结构腰部位置横向变形和内力最大,而矩形断面结构四个角处节点的变形和受力最大。不同断面形式的管廊结构底部均向内收缩变形,且管廊结构竖向变形量比横向变形量大,因此在实际工程中应关注波纹钢管廊结构变形量,尤其是结构竖向变形。