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。     

串列双圆柱桥墩局部冲刷精细化模拟

为研究不同墩心距下沿流向串列布置的双圆柱桥墩局部冲刷坑形态的变化规律,提出1种平衡湍流边界层模型以获得稳定的湍流来流边界条件;利用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型求解河床上双圆柱桥墩周围的复杂绕流场;基于能考虑河床面任意斜坡和泥沙坍塌效应的泥沙输运模型和动网格技术模拟双圆柱桥墩局部冲刷的动态演化过程,得到平衡冲刷坑形态,揭示冲刷发展过程的流动特征和冲刷机理。模拟结果与中美规范局部冲刷预测结果比较表明：串列双圆柱桥墩之间存在干扰效应;受下游桥墩施扰,最大冲刷都发生在上游桥墩,冲刷深度比单圆柱桥墩大,当墩心距L与桥墩直径D之比L/D=4时,达到最大值;而下游桥墩受上游桥墩遮挡的影响,最大冲刷深度在L/D=2时达到最小值,随着墩心距的增大,下游冲刷深度增大;当墩心距大于5倍桥墩直径后,下游桥墩可不考虑遮挡效应;获得的串列双圆柱桥墩最大冲刷深度值与美国规范预测值较为接近,而中国规范公式预测值偏小,提出的下游桥墩冲刷深度遮挡因子可为桥梁抗冲刷设计提供参考。     

路基局部冲刷深度研究进展

沿河路基冲刷是公路水毁的一个重要类型,而最大冲刷深度将直接影响沿河路基的安全。在对沿河路基局部冲刷机理的分析基础上,综合各家局部冲刷深度公式,评述其优缺点,指出现在存在的诸多问题。     

圆柱形桥墩周围局部冲刷的三维数值模拟

为预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷坑形态和发展,基于计算流体动力学和泥沙运动理论开展了桥墩周围局部冲刷的三维数值模拟。首先使用雷诺时均Navier-Stokes方程和标准K-ε湍流模型对圆柱形桥墩周围三维复杂流场进行数值模拟,将床面瞬时切应力作为泥沙起动及运输的水动力学条件,计算出床底泥沙的单宽体积输沙率,以此为基础得到河床高程坐标的瞬时变化;再采用边界自适应网格技术修改动边界计算域网格,计算得到圆柱形桥墩周围局部冲刷坑的演化过程。结果表明:桥墩周围局部冲刷三维数值模拟结果与试验结果基本一致,数值模拟方法能用来预测圆柱形桥墩周围的局部冲刷情况。     

深水桥梁垫层隔震基础冲刷演化机理与设计建议

群桩和沉井作为跨江海桥梁的基础支撑体系已得到广泛应用,但近年来实际工程的水深不断增加,现有技术已难以适用于50 m以上的超深水环境条件。为研究垫层隔震基础这一新型深水桥梁基础的冲刷演化机理,针对周期为1.2 s,波高分别为4、6、8 cm的3种波浪条件,以及海流流速为25 cm·s^-1,波浪波高为6 cm,周期为1.2 s的波流共同作用条件,开展砂土中垫层隔震基础冲刷演化机理的波流水槽模型试验研究,结合仅单向流作用下的基础体系冲刷演化机制,重点考察并梳理了隔震垫层的5种典型破坏形式及其特点。结果表明：仅存在单向流作用时,垫层的破坏形式主要为边缘破坏、剪切破坏和完全破坏,且严重程度随流速增大而增大;存在波浪作用时,海床泥沙及垫层材料起动后将发生振荡,导致隔震垫层还会发生掩埋破坏和掏底破坏;波流共同作用时,产生的影响比二者单独作用时更严重,对基础体系的正常工作产生严重影响。此外,通过分析交界面位置附近材料在冲刷过程中的滑动与滚动过程,认为颗粒材料的滑动和滚动是造成隔震垫层材料流失的主要原因。最后,对比分析了国内外抛石设计规范中的粒径计算方法,并在此基础上对垫层材料的设计提出建议。     

特大型水中沉井基础局部冲刷模型试验研究

泰州大桥中塔采用了目前我国最大规模的水中沉井基础,浮运沉井施工过程中,由于沉井、水流、泥沙三者的相互作用,将会产生浮运沉井施工期冲刷,进而影响沉井施工,准确地了解沉井下沉过程中的局部冲刷深度具有重要的工程意义和实用价值。通过河工模型试验分析了大型水中深井下沉过程中的局部冲刷情况,并提出了相应的计算公式。施工期间对河床的局部冲刷进行了监测,监测数据表明模型试验的结果基本可靠,并根据实际局部冲刷数据,提出了有关的沉井施工建议。     

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...     

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。     

基于车激动力响应互相关指标的桥梁基础冲刷诊断方法

针对当前桥梁基础冲刷诊断和检测方法过程复杂、成本高且受环境影响大等问题,提出一种基于车激动力响应互相关指标的桥梁基础冲刷诊断方法。该方法通过桥墩和桥跨不同测点的纵向加速度响应自由衰减段信号的互相关分析,建立基础冲刷诊断指标体系,实现冲刷定位和均匀性诊断。首先,依据互相关函数幅值向量置信度判据指标进行基础冲刷初判;然后,通过响应互相关函数幅值向量因子变化率向量进行冲刷定位,再根据横桥向互相关函数幅值变化率向量诊断冲刷均匀性;并通过统计评估方法提高诊断精度;最后,结合1座连续梁桥算例进行多种冲刷工况的数值仿真分析,对所提方法的有效性和适用性进行验证。结果表明：该方法能够很好地实现基础冲刷的定位和均匀性诊断,指标具有较高敏感性;同时具有较好的抗噪性能,通过所提出诊断指标体系的综合使用可消除噪声对诊断结果的干扰。该方法具有诊断结果精度高、过程简便易行、无需进行复杂且误差较大的模态识别、允许试验测试参数和条件适量变化等优点,可嵌入常规桥梁荷载试验同步开展,具有很好的工程应用潜力和实用价值。     

桩基非对称局部冲刷条件下土体应力变化解析解

传统桩基局部冲刷坑模型主要采用对称形态的坑体来分析,然而实际问题中局部冲刷坑体常为非对称,这使得桩基处于更不利的状态。评价桩基承载力的关键之一是合理计算冲刷坑造成的土体应力状态变化。而对于桩周形成非对称冲刷坑时土体应力变化,目前仍然没有较为完善和严格的理论分析方法。针对该问题,根据已有试验得到的非对称局部冲刷坑形态,提出非对称冲刷坑内土体应力计算的平面应变简化模型;并基于弗拉曼解在半无限空间中的应用,将冲刷坑以上土体看做荷载并引起土体内应力重分布,得到非对称冲刷坑下土体应力分布计算的平面应变解析解。通过有限元中的"生死单元法"模拟非对称局部冲刷坑的形成过程,并将有限元得到的冲刷坑内土体应力结果与解析解计算结果进行对比,验证解析解的正确性。随后基于该方法考虑桩尺寸的影响,得到非对称局部冲刷坑形成后桩周土体的垂直及水平有效应力计算方法,并与有限元计算结果进行了对比。结果表明：在考虑桩尺寸时,解析解计算结果略保守。在此基础之上,对非对称冲刷坑参数的敏感性进行分析,指出桩上、下游侧冲刷深度差值对桩周土体的应力影响较大,得到了非对称冲刷坑下桩周土体的垂直有效应力及水平有效应力差的变化规律,研究结果可为工程设计提供参考。     

斜拉桥成桥索力优化方法研究综述

为了深化对斜拉桥成桥索力优化问题的认识，系统回顾斜拉桥成桥索力优化方法的研究进展与代表性研究成果；在将斜拉桥成桥索力优化方法分为指定结构状态的优化方法、弯曲能量（弯矩）最小法、数学优化方法、影响矩阵法、分步优化方法的基础上，根据斜拉桥合理成桥状态的确定原则阐述各类方法的求解思路与优化过程，并总结各类方法的特点、适用范围以及局限性；探讨斜拉桥成桥索力优化领域的未来发展趋势。研究结果表明：指定结构状态的优化方法其优化目标明确，力学概念清晰，计算方便，但无法兼顾主梁和桥塔的受力和变形，很难获得全局合理的结果，目前仅用于初定斜拉桥成桥状态；弯曲能量最小法的目标函数综合考虑了主梁和桥塔的受力与变形，体现了索力优化的本质特征，能够获得较为合理的优化结果，但在不添加任何约束条件时所得结果仍需进行后续调整，目前也多用于初定斜拉桥成桥状态；数学优化方法可根据不同类型斜拉桥的结构特点选择目标函数、约束条件与优化算法，所得结果也可兼顾斜拉桥各个构件的受力和变形，适用性较强，智能优化算法因其较好的全局收敛性、通用性和便于并行处理等特点，使得其在斜拉桥成桥索力优化乃至结构优化设计领域中的应用越来越广泛；影响矩阵是建立索力与目标函数关系的纽带，是一种综合的索力优化工具，但它需要在明确优化目标与约束条件的前提下求解；分步优化方法融合了多种优化方法的优势，可根据不同类型斜拉桥的受力和变形要求，分步骤选择不同方法全面优化斜拉桥的成桥索力；为适应斜拉桥大跨径化、主梁纤细化以及结构体系多样化的发展趋势，探索针对性或普适性更强的成桥索力优化方法、斜拉桥成桥状态与施工状态耦合优化、将更多优秀的智能优化算法应用于斜拉桥索力优化以及将数学优化算法与有限元程序进行嵌入式融合等问题均是该领域未来的发展方向。