桥梁动水压力附加质量计算模块开发与应用

为解决深水桥梁动水压力附加质量表达式繁冗并涉及特殊函数,不利于实际工程应用的问题,在已有的Morsion方程法、简化辐射波浪法、基于频率降低率的附加质量比法的计算理论基础上,采用APDL语言在ANSYS中设计、开发附加质量模块,实现了附加质量的自动计算和动水压力荷载的自动添加。应用这3种附加质量理论所开发的计算模块,建立不同形式墩-水耦合简化模型,与计算精度较好的流体声单元法进行对比,比较计算精度上的差异。计算结果表明,对于截面尺寸相对细长型的桥墩,4种方法计算结果较接近;随着桥墩直径的增大、墩高减小,Morison方程法的计算结果与其它3种方法的差异增大,总体上看4种计算方法基本能反映桥墩在水中的振动响应。在实桥上应用,结果表明开发的附加质量模块具有较高的精度和较高的计算效率。     

地震-波浪耦合作用下考虑相位差影响的深水桥墩动力响应分析

跨海深水桥墩往往受到不可忽视的波浪作用,在设计时需考虑波浪力。在地震作用下,桥墩附近海域的波浪场受到地震动水压力的干扰,波浪作用也受到影响,桥墩的动力响应需考虑两者的耦合作用。另一方面,地震起振时,墩底处地震波的相位可简单视为0,而桥墩处的波浪相位可能在0~2π之间变化,地震与波浪之间的相位差将直接影响波浪作用的大小,进而影响地震-波浪耦合作用。为了研究地震-波浪对深水桥墩的动力耦合作用,并考虑相位差对桥墩动力响应的影响,采用有限元分析软件ADINA建立的组合桥墩的精细化模型及桥墩附近水体的势流体单元模型,以模拟流固耦合作用;分别进行了地震单独作用下、波浪单独作用下以及地震-波浪耦合作用下桥墩的动力响应分析,并考虑了地震动、波高及地震与波浪之间相位差的不同。研究结果表明：地震与波浪间的耦合作用不能忽略,其对桥墩上总动水压力的影响在15%左右;地震与波浪之间的相位差对桥墩动力响应影响显著,当相位差在0~2π之间变化时,最大响应幅值变化接近54%;最不利相位差的取值与地震频率、桥墩水下基频和结构形式密切相关。利用MATLAB软件,提出了最不利相位差的计算方法及其适用条件;提出了耦合作用折算系数,以简化最大动力响应幅值的计算,推动实际工程应用。     

独柱墩-固定式防船撞装置波浪荷载研究

以跨海航道桥梁安全为背景，进行独柱墩及独柱墩-固定式防船撞装置结构波浪力研究。开展室内缩尺试验，验证并校准Fluent三维数值模型的准确性和有效性。利用最小二乘法分解墩柱水动力为Morison方程的形式，计算得到结构水动力系数。考虑波浪高度、波浪周期、防撞装置断面形状和大小等影响因素，计算并拟合出墩柱水动力系数与相关因素间的定量关系。研究结果表明：固定式防船撞装置的存在增大了墩柱表面所受波压强，但不改变其总体分布趋势。当防撞装置断面为矩形，且波浪高度较大时，装置对墩柱受力特性的影响最明显。墩柱结构所受水动力中惯性力占主导，且可用均匀分布的惯性力系数来代替实际分布，独柱墩-固定式防船撞装置结构上的惯性力系数可以达到2.1左右。     

库区大跨度墩-塔-梁固结体系斜拉桥抗震性能研究

为研究库区大跨度墩-塔-梁固结体系斜拉桥抗震性能,以跨径布置为140m+320m+140m的河惠莞高速公路枫树坝水库特大桥为工程背景,采用有限元软件建立其空间分析模型,根据Morison理论换算动水附加质量,计算了库区蓄水状态对结构动力特性的影响,并运用非线性时程分析法分析评估了桥梁结构在E2强震作用下的地震响应及抗震性能。结果表明:墩水耦合作用将导致库区桥梁结构振动周期延长。强震下,蓄水会造成主墩主塔地震内力和主梁纵向位移增大,在进行墩柱配筋和交界墩搭接长度设计时应进行考虑。研究结论可供库区大跨度墩-塔-梁固结体系斜拉桥抗震设计参考。     

波流与地震共同作用下跨海斜拉桥动力反应研究

为了揭示跨海深水桥梁多灾害荷载耦合作用规律,基于非线性Morison方程,建立了波浪、水流和地震联合作用下水-结构体系动力平衡方程(波浪运动描述采用非线性Stokes五阶波)。在大型通用有限元ANSYS软件上编制APDL程序,通过动力时程分析法,以某跨海深水斜拉桥为依托,研究了水对跨海深水斜拉桥结构动力特性以及动力响应的影响,并研究了地震、波浪和水流荷载对跨海深水斜拉桥结构的作用效应,阐明了三者共同作用特点。研究表明:跨海深水斜拉桥属于柔性结构,基本频率较低(基频为0. 092 835 Hz),同时周围水的存在对结构频率有降低作用,最大降幅为13. 4%,水对该跨海深水斜拉桥结构地震响应有增大作用,最大增幅为27. 6%;在波流与地震联合作用时,波流场与地震对结构振动而产生的振荡流场叠加,从而形成一个新的共存流场,联合流场将改变纯波流场的频率,使得波流荷载偏离结构既定的共振周期,从而削弱共振效应,整体流场振动频率介于单独波流场频率和地震主频之间,波流对地震响应影响可达124. 2%,波流与地震作用之间存在相互影响,因此,对处于复杂海洋环境中的跨海深水桥梁结构进行波流与地震联合作用分析是必要的。     

基于实测水压力的跨海桥梁围堰波浪力计算

为准确计算跨海桥梁施工围堰的波浪荷载,提出一种基于现场实测水压力的围堰波浪力计算方法。以平潭海峡公铁两用大桥B39号墩施工围堰为背景,现场实测围堰主迎浪面的水压力,根据实测水压力数据计算围堰主迎浪面上的波浪动力荷载,并采用AQWA软件建立围堰的三维数值模型,基于三维线性绕射理论计算围堰上的波浪动力荷载,与根据实测水压力计算得到的波浪动力荷载进行对比。结果表明:围堰的波流荷载随时间变化呈周期性变化,波浪动力荷载在0附近上下波动;根据实测水压力计算的波浪荷载和数值模拟的波浪荷载随时间变化趋势基本吻合,提出的波浪荷载计算方法能较准确地计算围堰受到的波浪动力荷载峰值。     

小尺度双柱结构物上波流力的流固耦合数值分析

利用流固耦合软件MpCCI将ABAQUS与FLUENT软件连接,对深水环境下波流场与双柱式桥梁墩柱结构变形进行流固耦合问题的数值模拟.结果表明,基于Morison方程,改变圆截面双柱结构的截面尺寸与长度尺寸,结构整体所受波浪力的拖曳力系数将发生变化,研究结果为流固耦合技术在深水桥梁上的应用奠定了一定的基础.     

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...     

深水桥梁双承台组合基础波浪力的参数影响性研究

为研究组合基础中各构件波浪力的变化规律,以某深水桥梁采用的双承台组合基础为原型,采用特征函数展开匹配法计算承台波浪力,结合Morison公式计算桩柱波浪力,分析承台尺寸、浸深和桩柱位置等参数的变化对基础波浪力的影响。结果表明:下承台半径对上承台波浪力(力矩)影响较大,其高度的影响与上、下承台半径比有关;上承台尺寸主要影响下承台水平波浪力和波浪力矩;随上承台浸深的增加,下承台波浪力(力矩)曲线出现多个极值;中部桩柱波浪力随上承台浸深增加呈先增后减趋势;边部桩柱波浪力随桩心角的增大呈先增后减趋势、随桩心距的增大而增加,承台的存在引起波浪力偏向和相位差。     

行波效应对深水桥梁地震响应的影响

以深水连续刚构桥为研究对象,采用Morison方程计算动水压力,从频谱、水深、结构周期3个方面考虑行波效应对深水桥梁进行地震响应分析。研究表明:动水压力对深水桥墩地震响应的影响随着波速的不同而变化,并且考虑行波效应时,动水压力对深水桥墩地震响应的影响还与地震波的频谱特性及计算的项目有关;考虑行波效应计算动水压力对深水桥墩地震响应的影响程度跟水深和结构固有周期有关。由此得出结论,大跨度深水桥梁地震响应分析应合理地考虑行波效应和动水压力。     

桥梁混凝土水管冷却温度场有限元分析

针对混凝土水管冷却温度场的计算问题，分析了当前冷却水管有限元分析的主要方法，对多重网格法进行有效的处理，从而在不增加计算时间的前提下能更准确地计算出水管冷却温度场。基于这种处理方法，结合通用软件ANSYS对某高墩大跨刚构桥桥墩混凝土水管冷却温度场进行了仿真分析，计算结果与实测数据比较表明该方法计算精度是较高的。     

公路桥梁高墩施工阶段动力特性分析

以国道209线和林格尔至清水河一级公路贾家湾大桥单支空心薄壁高墩施工为背景,通过变分原理推导了结构动力学方程和以有限元为基础的有限自由度的运动微分方程组.借助大型有限元软件MIDAS,并根据单支空心薄壁墩施工过程,建立了空心薄壁墩施工阶段的动力特性有限元计算模型,通过13个模型的计算,分别得到了每一个模型的前5阶固有频率和振型.通过分析各模型的动力参数,找到了一些对单支空心薄壁墩施工的影响因素.     

水下桥墩结构的振动分析

为研究水流对桥墩结构振动特性的影响,分别建立了水与实体桥墩和空心桥墩的流固耦合模型,计算了各自的振动频率,并与理论公式的计算结果比较,两者基本吻合.分析后得出结论:考虑内部水流作用时,空心桥墩的自振频率随壁厚的减小呈现先缓慢增大,后迅速减小的趋势;水流对高墩和薄壁墩自振频率的影响更大.     

桥墩遭受船舶撞击的数值模拟法及其动态响应的研究

桥梁防撞结构的设计需要研究桥梁遭受船舶撞击时的动态响应并获得准确的碰撞力.运用LS-DYNA软件建立了1座分离式桥墩模型和1艘3 000 t级的散货船模型来模拟船桥碰撞的过程.为了考虑流体在碰撞过程中的作用,计算时分别以不考虑流体影响、附加质量和流构耦合3种计算模型来分析、比较流体对船桥碰撞响应的影响,并得出以下结论:不同的计算模型的系统能量变化和船舶碰撞力基本一致,流体的存在对碰撞力的影响较小;桥墩的水平位移响应要滞后承台约0.2s,附加质量模型的桥墩和承台水平位移比其余2种模型要略大;附加质量模型的计算结果与流构耦合模型的计算结果基本一致,但附加质量模型具有更高的计算效率,其计算用时仅为流构耦合模型用时的2/5.      

南京长江第三大桥临时墩深水钢套箱钢管桩平台稳定性分析

介绍了南京长江第三大桥南临时墩钢套箱钢管桩平台的施工特点,深水急流条件下钢管桩下放的受力计算,以及钢套箱钢管桩平台稳定性计算。     

薄壁墩混凝土水化热及收缩徐变分析

鄂西某汉江特大桥主桥为60 m 110 m 110 m 60 m预应力混凝土连续刚构,桥墩采用了双薄壁形式。墩身施工后,现场人员发现在与承台相接的部位有裂缝产生,大桥施工被迫停止。结合实例,利用理论计算和仿真模拟两种手段同时对裂缝进行了分析,其结果和裂缝实际状态非常吻合,判定是由大体积混凝土结构在养护过程中的水化热及收缩、徐变所致。     

大跨度自锚式斜拉-悬吊协作体系桥模型试验研究

某跨海大桥主通航孔为主跨800m的自锚式混合梁斜拉一悬吊协作体系桥，通过模型试验对该新桥型的静力性能和动力特性进行了详细的研究，与基于有限元理论的计算结果进行了对比，试验结果与理论结果相吻合；分析了辅助墩、混合梁对该体系的动力影响：边跨增设辅助墩后，协作体系的各阶频率都有所增大，能改善协作体的1阶竖弯和1阶侧弯频率。能抑制桥梁在风载作用下的侧向位移；采用混合梁结构形式，使主梁自振频率均增加，提高了全桥的竖弯和横弯刚度，为自锚式斜拉一悬吊协作体系桥的设计和力学性能研究提供参考依据。     

基于向量法的桥墩垂直度快速测量方法研究

桥梁施工或运营管理过程中,桥墩垂直度均是重要的控制因素之一。在阐述墩柱传统测量方法的基础上,利用三维激光扫描技术,提出了基于向量法的墩柱垂直度快速测量方法,并结合实际墩柱测量结果,得出该方法与传统方法测量结果一致,且测量精确度较高,对于桥梁墩柱或类似高耸建筑的垂直度测量,均具有一定的应用前景。     

超大型城市供水泵站前池导流措施的流场及水力模型研究

该文针对多种约束性条件下的大型泵站前池流态,通过建立紊流不可压缩流体的速度场模型及多方案的水力模型,运用有限体积法计算并分析了增设导流锥、导流墩对前池及吸水池流场的改善情况。数值模拟的计算结果表明,增加导流锥后,喇叭口下方水泵进水偏流角一般均小于4°,对改善进泵偏流效果显著;事故工况时,单侧吸水池的水泵平均流量偏差比由26.89%降低至13.26%,吸水管附近水流比较平顺、均匀。水力模型试验表明,泵站前池的八字形导流墩方案可有效地消除存在的大范围回流区和斜向流,并通过调整配水孔口的分流比加强导流作用;导流墩整流方案配水渠至前池末端最大水位落差为0.020m,满足设计方所提出的水力设计要求。     

钢管混凝土叠合柱式桥墩考虑桩土作用的地震效应分析

为减小桥墩阻水面积,南水北调中线工程跨主干渠大油村北桥中墩墩身采用圆形钢管混凝土叠合柱,以避开阻水超限的普通钢筋混凝土桩柱式结构。探讨考虑桩土相互作用的三种模型并对计算结果进行了对比分析。发现等效三弹簧模型能较好地模拟桩土相互作用下桩基的地震反应,同时说明叠合柱能以较小的直径满足既定承载能力的要求,比普通钢筋混凝土桩柱式结构具有更好的经济性和抗震性能。