桥梁墩柱受波浪激励响应的反演分析及防护对策研究

摘要

随着我国经济建设和交通事业的快速发展，区域性交通网络的建立已经迫在眉睫，必须加快跨江跨海大桥的建设和发展步伐。然而作为危及人类生命财产最为严峻的自然灾害之一——波浪荷载是跨江、跨海大桥结构设计中必须考虑的外荷载。因此开展波浪激励下桥墩振动问题及防护措施的研究有着非常重要的科学价值和实践意义，也是桥梁学者与设计者所面临的现实问题。
　　 本文的研究内容涉及多门学科的交叉与渗透，涵盖了海洋工程波浪力学、桥梁工程、桥涵水文及水力学、结构动力学、振动力学、随机振动与谱分析概论、概率统计学、流体力学、数值分析、结构有限元分析、防灾减灾工程学、流固耦合动力学等多学科。本文主要的研究内容和研究成果如下:
　　 (1)基于线性叠加法建立了以波浪谱为基础的单自由度波浪力时程曲线，由孤立墩柱悬臂梁的受力特征，建立了折算等代波浪力数值计算简化公式。通过验证，该简化公式计算的波浪力满足精度要求，可用以求解墩柱的动力响应，为随机波浪力研究提供了一种方便、简捷的计算方法。
　　 (2)借鉴国内外求解反应谱内插法的基本思路，并结合波浪力时程曲线的特点进一步分析了波浪反应谱的求解方法，建立了等时间间隔内按三角函数变化的振动反应谱连锁递推公式，对实际和人工模拟的波浪时程曲线进行波浪反应谱精度分析，结果表明该法计算简捷精确，为桥墩抗波浪设计提供了有效的计算分析方法。
　　 (3)首次将全量补偿复合反演法运用于桥梁墩柱在部分未知波浪输入条件下的参数识别与未知波浪力的反演，进而推导了不考虑墩柱波浪拖曳力时，作用于各节点上的波浪力时程为完全时域相关，并结合概率“统计平均法”与“消去法”构建了未知波浪输入及顶点未知水平荷载作用下的改进复合反演算法，开拓了桥梁损伤识别的新方法。
　　 (4)为真实反应深水桥墩在各种环境荷载作用下的动力响应特点，在考虑附加质量和流固耦合效应下，运用有限元软件ANSYS的流固耦合模块对深水桥墩进行地震、流速及风荷载影响下的波浪力响应分析，并探讨各环境荷载对深水桥墩的影响程度，使桥墩设计更加趋于安全经济合理。
　　 (5)以弱势环节断链减灾思想为导向，以流体理论为基础，并借鉴结构抗风和桥墩防冲刷机理，将抑制跨江跨海的桥墩受波浪等环境荷载损伤的防护措施放在降低圆柱绕流的阻力和升力上，提出了控制圆柱桥墩绕流的三项措施，并验证了三项措施的有效性和适用性，为涉水桥墩防护对策提供借鉴。