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波浪与海流作用下跨海大桥下部结构受力特性研究

黄雯  
【摘要】:随着人类生产、生活不断向海洋深入,越来越多的跨海大桥也随之涌现。这些桥梁在满足自身设计功能的同时还承受着各种复杂恶劣的海洋荷载,尤其是大桥的桥墩及基础,一直承受着波浪、海流的作用,其受力状态远比内河桥梁复杂的多。因此结合波浪、海流等海洋环境荷载,对其力学特性进行研究具有十分重要的意义。本文以国家大力推进海洋经济发展、全面推动海洋科学研究和开发为背景,在湖北省自然科学基金项目“波流力作用下跨海大桥基础动力响应研究”(2014CFA122)资助下,针对波浪、海流荷载作用下的桥墩和桩基力学特性及其影响因素展开了深入的研究,主要内容如下:1、准确模拟了线性波浪以及Stokes五阶波。以线性叠加法为基础,通过编写用户子程序对流体分析软件CFX进行二次开发,实现了对JONSWAP谱描述的随机波浪的数值模拟,并对小尺度桩柱结构的受力特性进行实时计算分析。同过大量的算例,计算了不同波高、周期水深等参数下结构的波浪力,并通过与实测资料、试验结果以及理论值的对比,验证了波浪水槽的正确性和有效性。2、通过计算不同柱径、水深、波高等工况下圆柱所受的波浪力和柱顶位移,总结了考虑和不考虑流固耦合效应两种情况下圆柱受力随柱径、水深等参数变化的规律,提出了流固耦合动力放大系数和位移放大系数的概念,以衡量流固耦合效应对结构的影响大小。通过计算得出圆柱直径、相对水深和相对周期为影响流固耦合效应的敏感参数。当相对柱径D/h0.04,相对水深d/l0.4时,或结构相对周期T0/T0.5时可不考虑流固耦合作用的影响。3、在总结海流对波浪运动特性影响的基础上,推导了波、流共同作用下的考虑流固耦合影响的结构动力学方程。采用Newmark-β法将其在时间上离散从而使得问题得以解耦,通过MATLAB自编了相应程序。讨论了水流速度、波流夹角对基桩所受波浪力的影响,以及基桩自身截面形状及尺寸对波流力大小的影响。4、以某跨海大桥桩基试验为依据,建立了群桩结构在波浪荷载作用下的仿真模型,并分别讨论了平行和垂直波浪方向上不同桩距对群桩结构受力的影响。波浪荷载作用下,垂直波浪方向布置的群桩由于相互之间的影响而使其受力产生放大效果,这一影响随着桩距的增大而减弱。平行波向布置的群桩由于各桩之间的相互影响而对其受力产生的削弱作用,其削弱效果随桩距的增大呈下降趋势。KC数对垂直波浪方向的群桩干扰系数几乎没有影响;而在平行波浪前进方向上,各桩的干扰系数随KC数的增大而减小且这一影响对后桩更为明显。本文系统分析了跨海大桥桥墩及桩基在波浪、海流作用下的力学特性,并以此为依据对跨海大桥下部结构的设计提出了建议,对今后同类结构物的设计具有一定的参考意义。


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