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%。     

近海T形梁桥上部结构极端波浪作用试验

飓风引起的极端波浪是影响近海桥梁结构安全的重要灾种之一，曾在美国墨西哥湾沿岸造成了大量已建低矮跨海桥梁损毁。探究台风波浪对桥梁上部结构的作用机理，发展波浪作用力计算方法，对保证中国近海地区桥梁结构安全具有重要意义。为准确考虑台风极端波浪的频谱特征，使用连续聚焦波作为入射波，开展了不同波幅、峰值频率和净空的模型试验。试验基于Froude准则采用1∶25缩尺比进行设计，研究对象为T形肋梁桥，试验过程中观测了聚焦波作用下T形梁桥受到的水平和竖向波浪作用力。研究结果表明：采用连续聚焦波作为入射波，通过设置合适的聚焦波周期可以避免二次反射波对入射波的污染，确保试验结果的可信性；波浪作用力中包含了低频准静力和高频砰击力，砰击力峰值一般出现在波浪与结构接触的初始阶段；一般情况下波浪作用力随波幅增大而增大，但存在明显的非单调特征；T形梁桥波浪力随净空增大有明显的先减小后增大的趋势，但峰值频率为0.4 Hz的大波幅聚焦波在净空为2.0～3.0 cm时波浪作用力最大；基于试验结果拟合出的波浪力简便估算方法能够有效计算波浪作用力，可为T形梁桥抗波浪设计提供参考。     

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。     

波浪作用下椭圆形横截面悬浮隧道管段压强特性试验

为研究悬浮隧道在波浪力作用下的波动特性,以琼州海峡跨海通道工程为背景,设计一种双向6车道悬浮隧道交通结构,开展9种不同工况下模型比尺为1∶[KG-*2]60的水力物理模型试验,分析悬浮隧道结构在不同波浪高度、不同波浪周期下的迎浪面、背浪面和上下表面的压强变化特性。首先,根据悬浮隧道管段迎浪面、背浪面和上下表面波峰、波谷时刻的压强包络线分布规律,发现管段垂向压强差值显著大于水平向。然后,比较周期和波高变化对压强极值的影响,在相同周期下,管段表面压强极值随波高的增大而增大; 在相同波高下,压强极值随周期的增大而减小。最后,在一个波浪周期内,悬浮隧道结构出现了多个局部峰值,在不同波高下,峰值次数随周期的增大而规律增加。研究表明： 波高是影响结构稳定的主要因素之一,并应重点关注短周期波浪对结构的稳定影响以及结构的垂向受力变化。     

重载铁路路基动力响应的数值分析

通过大型有限元软件ANSYS,建立轨道-路基三维有限元模型,分析路基动应力沿线路横向和纵向的分布规律,以及不同轴重和基床表层模量对路基动应力的影响,为以后重载铁路基床的设计和养护维修提供参考。研究结果表明:路基面竖向动应力沿线路横向和纵向的分布都不均匀,横向大致呈“M”形。基床表层动应力的衰减最为急剧,约为40%。随着轴重的增加,路基各层竖向动应力都在增加。基床表层弹性模量为150 MPa时,轴重每增加5 t,基床表面竖向动应力最大增加26.1%。40 t轴载下,基床表层弹性模量每增加50 MPa,基床表面竖向动应力最大增加2.68%。     

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。     

平潭海峡公铁大桥通航孔桥桥塔墩围堰设计

平潭海峡公铁大桥3座通航孔斜拉桥的6个桥塔墩均采用哑铃形高桩承台,元洪航道桥N04号墩承台平面尺寸为81.0m×33.0m,厚9.0m,混凝土方量为18 104m3。为节省造价,桥塔墩承台施工均利用主体防撞箱作围堰侧板,增加底板、系梁桁架、单壁隔舱、内支撑等施工结构,组成双壁钢吊箱围堰。单个围堰总长96.8m(含防撞梁),宽37.32m,高16.6m,入水深度12.88m,最大波浪力约20 000kN。哑铃形围堰系梁区不封底,围堰分区抽水,承台分区分步施工,围堰从吊装下放、抽水至承台施工完成共有8个控制工况,采用MIDAS Civil和MIDAS FEA软件建立各施工阶段有限元模型,分析围堰、封底混凝土及已浇筑承台受力状况。计算结果表明,围堰各部分结构及已浇筑承台应力均满足规范要求,设计方案可行。     

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...     

冻融条件下盐渍土抗剪强度特性试验研究

通过对新疆岳普湖~英吉沙公路及和硕~库尔勒高速公路沿线的天然盐渍土室内基本性质试验分析,选取典型天然盐渍土,在开放系统中进行反复冻融循环条件下的试验,从土类角度研究了天然盐渍土在多次冻融循环时的强度变化特征。试验结果表明:经多次冻融循环,低液限粘土试样粘聚力自下而上线性减小,内摩擦角呈S形分布;含砂低液限粘土试样冻融循环过程中,试样粘聚力呈反S形分布,内摩擦角均呈S形分布;低液限粉土试样各层土粘聚力随着冻融循环次数的增加逐渐减小,各土层内摩擦角随着冻融循环次数的增加而减小。     

桩土结构相互作用及辅助墩对组合梁斜拉桥地震响应的影响

为探究桩土结构相互作用(SSI作用)和辅助墩对组合梁斜拉桥的地震响应规律,采用数值模拟和参数分析法研究不同计算工况和土层特性下组合梁斜拉桥的地震响应。结果表明,有辅助墩无桩基的各阶频率最高,因为考虑SSI作用后,结构刚度降低,且有辅助墩相对于无辅助墩,结构刚度提高;有辅助墩和考虑SSI作用可减小塔底弯矩,且在纵向+竖向地震下的斜拉索轴力大于横向+竖向地震下的斜拉索轴力;随着土层硬度增加,位移和内力响应有缓慢减小的趋势。     

风-浪联合作用下大跨度桥梁车-桥耦合振动分析

为研究波浪对跨海桥梁风车-桥耦合振动系统的影响,针对跨海桥梁所处风大、浪高的极端环境,建立了波浪-风-列车-桥梁动力模型,将风场视为空间相关的平稳高斯过程,高速列车采用质点-弹簧-阻尼器模型模拟,精细化全桥模型通过有限元方法建立,考虑风-列车-桥梁之间的耦合作用,波浪作为外部荷载施加到该耦合体系中。以主跨532 m某海洋桥梁为例,通过自主研发的桥梁科研软件BANSYS （Bridge Analysis System）,分析了波高、风速、车速对耦合模型车辆和桥梁响应的影响。结果表明：风车-桥耦合振动体系的车辆和桥梁响应受波浪影响显著,车辆和桥梁响应在与波浪荷载一致的方向增加显著,15 m·s^-1风速下,考虑波浪影响的车辆横向加速度最大值约是不考虑波浪时的1.3倍,考虑波浪影响的跨中横向位移最大值约是不考虑波浪时的22倍,而在非一致方向波浪对车-桥响应的影响较小;不同风速下,波浪对车辆横向加速度影响显著,考虑波浪影响的车辆横向加速度约是不考虑波浪时的1.2倍,而车辆竖向加速度、轮重加载率、倾覆系数等指标主要受风速的影响;波浪基频与桥梁横向位移响应谱主峰频率一致,波浪已成为影响桥梁横向位移响应的控制因素;波浪减弱了车速对车-桥响应的影响,随着波高的增加,车辆和桥梁响应对车速的变化更不敏感。     

随机荷载作用下沥青路面应力应变分析

应用有限元软件ABAQUS建立轮胎/路面结构模型,研究轮胎与路面的接触印迹及随机荷载下沥青路面三维结构应力、应变变化特征。结果表明:沥青路面竖向、横向、纵向应力应变随荷载的非线性增加而非线性增加,随路面深度增加应力应变逐渐减小,在沥青路面的上面层和中面层出现应力应变集中现象。在荷载作用分析点,竖向、横向及纵向应力最大应力值出现在上面层,竖向应力最大,横向应力次之,纵向应力最小;竖向和横向应变最大值出现在上面层,纵向应变最大值出现在上-中面层,纵向方向反复的拉压变形,可能是导致路面轮迹带材料产生疲劳损坏的原因。沥青路面结构应力应变受温度变化、荷载等多种因素影响,残余应变恢复时间延迟体现沥青材料的黏弹性特征。     

波纹钢板在隧道明洞结构中的应用研究

为研究波纹钢拱圈式隧道明洞结构的力学性能,为该类型隧道明洞结构的应用提供理论依据,以某隧道窗孔式明洞为工程背景,采用有限元数值模拟方法进行受力分析。首先,分析明洞结构中基础底座、混凝土拱圈和波纹钢拱圈的应力分布特点;其次,从弯矩、轴力和位移3个方面研究波纹钢板的厚度对该明洞结构受力的影响;最后,从弯矩、轴力和位移3个方面研究钢拱圈不同矢跨比对该明洞结构受力的影响。研究结果表明： 1）基础底座的内外墙根部截面应力较大,为结构受力最不利位置,混凝土拱圈和波纹钢拱圈在拱脚和拱顶附近位置处受力较大; 2）随着波纹钢板厚度的增加,内外墙底部截面的弯矩均有所减小;外墙底部截面的轴力有所减小,而内墙底部截面的轴力有所增加;钢拱圈的横向和竖向位移均有所减小; 3）随着钢拱圈矢跨比的减小,内外墙底部截面的弯矩不断增加,且内墙底部截面弯矩增加更为明显;内外墙底部截面的轴力不断减小; 钢拱圈的横向位移不断减小,竖向位移出现先减小后增加的趋势。     

桥墩钢板桩围堰的设计与监测

以某采用钢板桩+内支撑支护体系的桥墩支护方案为例,介绍钢板桩围堰设计计算,分工况对钢板桩的内力、变形及内支撑轴力的变化规律进行分析,并结合相应计算断面的监测数据进行对比。钢板桩最大深层水平位移的位置随着围堰土方开挖深度的增加而逐步下移,且位于开挖面附近。随着开挖深度增加,钢板桩外侧水土压力合力作用点下移,伴随着相应位置钢支撑的架设,已架设的上部支撑轴力呈逐步减小的趋势。监测结果与计算结果二者变化规律及数值量级上基本一致,说明设计简化、参数取值及计算结果较为符合实际。     

基于FLAC3D的大直径实心桩承载性能数值模拟研究

基于FLAC3D模拟软件，对大直径实心桩竖向及横向的承载性能和变形特性进行数值模拟。深入而全面的研究了大直径实心桩的受力机理、承载性能与变形特性，得出以下结论：本次模拟的大直径实心桩的单桩承载力极限值为82000kN，单桩承载力特征值为41000kN，水平承载力极限值为1750 kN，水平承载力特征值为1000 kN。随着竖向位移的增大，桩周土体的沉降随着距离桩体距离的增大而减小，桩端土体与桩体和桩周土体相比沉降较小，模型承受荷载过程中桩身的压缩量较大。在各级荷载作用下，桩身轴力随着深度的增加而减小，至桩端处桩身轴力几乎降至为零。在施加水平荷载之后，桩顶部分的水平位移最大，随着桩体埋藏深度的增加，桩身位移迅速减小至零，桩身弯矩随着桩体埋藏深度的增大呈先增大后减小至零。     

基于能量法的斜拉桥纵向1阶自振周期简化计算

针对现有漂浮体系和塔梁铰接体系斜拉桥纵向1阶自振周期简化计算中均忽略双向振动耦合效应影响的状况,采用Rayleigh能量法对这2种体系斜拉桥的纵向1阶自振周期简化计算公式进行了推导。首先,以斜拉桥在地震作用下纵向水平惯性力的传递路径为依据,分别建立了漂浮体系和塔梁铰接体系斜拉桥的简化计算模型;其次,考虑斜拉桥纵向1阶振型呈现出纵向振动与竖向振动相互耦合的特点,基于假定的漂浮体系、塔梁铰接体系斜拉桥主梁和主塔的纵向、竖向位移振动方程,分别对2种体系斜拉桥斜拉索、主塔、主梁的变形能及动能进行了分析和计算;最后,根据能量守恒原理推导了漂浮体系斜拉桥和塔梁铰接体系斜拉桥的纵向1阶自振周期简化计算公式。选取5座已建斜拉桥利用有限元软件进行1阶纵向模态分析,将理论推导结果与有限元计算值进行了对比。结果表明:所提出的简化公式的计算结果与有限元计算值吻合良好,相对误差均小于15%,简化计算方法具有良好的稳定性,可用于斜拉桥纵向1阶自振周期的估算;将漂浮体系斜拉桥纵向1阶自振周期简化计算公式与塔梁铰接体系斜拉桥纵向1阶自振周期简化计算公式配合使用,可为斜拉桥初步设计和方案比选提供参考。     

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。     

混合梁斜拉桥钢-混结合段力学性能研究

为了解混合梁斜拉桥钢—混结合段受力及传力规律,指导钢—混结合段的设计,以某主跨580m的混合梁斜拉桥为背景,采用有限元软件建立钢—混结合段整体模型,并对比缩尺模型试验结果,建立局部剪力钉推出模型,分析剪力钉传力规律。结果表明:钢—混结合段截面混凝土竖向应力分布不均匀,大小呈凹曲线分布;纵向应力由结合段截面向混凝土段递减。竖向上各剪力钉剪力呈马鞍形分布,上、下剪力钉剪力高于中间剪力钉;横向上内侧剪力钉剪力大于外侧剪力钉;荷载越大,剪力钉竖向受力越均匀,剪力钉刚度越大,各剪力钉的受力越不均匀。     

曲率半径对曲线箱梁桥模态及振型方向因子的影响

按能量比重将曲线箱梁桥的振型分解为竖向弯曲、扭转、横向弯曲和纵向移动四个振型方向因子。以曲率半径为参数建立了4个两跨曲线箱梁桥模型,分析了其模态特性及各振型方向因子随曲率半径的变化规律。认为随着曲率半径的减小,曲线桥刚度的增加比质量的增加要慢,必须充分考虑竖向弯曲振型,扭转振型方向因子随着曲率半径的减小逐渐减小,纵向移动振型方向因子高峰值出现在较高阶次的模态中,高阶模态对其抗震性能的影响非常重要,在抗震设计时必须充分考虑足够多的高阶模态的影响。     

温度-移动荷载耦合作用下沥青路面结构力学响应研究

建立沥青路面结构有限元模型,计算沥青路面结构在一天内温度连续变化条件下温度场分布,在此基础上进行温度与移动荷载耦合,分析沥青路面结构在温度-移动荷载耦合作用下的力学响应。结果表明,沥青面层温度场在一天内的变化呈现先减小、后迅速增大、再减小并趋于缓和的趋势,基层以下路面结构层温度几乎不发生变化;在温度-移动荷载耦合作用下,路表最大竖向位移比不考虑温度作用时最大竖向位移增大8.60%,沥青层层底拉应变比不考虑温度作用时层底拉应变增大176.26%;车辆速度和轴重影响沥青路面的力学响应,随着荷载移动速度的增大,路表竖向位移减小、竖向压应力增大,随着轮胎接地压强的增加,路表横向压应力、竖向压应力和纵向压应力都增大。