桥梁上部结构海啸作用力及抗海啸措施研究

摘要

近年来，许多的跨海及滨海桥梁相继建成、开工或者被提上议程。跨海及滨海桥梁的建设和运营需要面临包括海啸、风暴潮在内的各种恶劣复杂波流海况的考验。与风暴潮相比，海啸在能量量级、影响范围、造成的灾害程度上都要大得多。2004年的印度尼西亚苏门塔腊大海啸以及2011年的日本东北大海啸均造成了数万人死亡和失踪，毁坏了众多的桥梁、建筑、港口。相关研究表明，我国的部分沿海地区存在着一定的海啸风险，此外，随着“一带一路倡议”的推进，我国日趋增加的海外基建项目和基础设施也将面临重大的海啸风险。　　桥梁不仅是交通运输的重要环节，同时也是灾后快速救援的保障，是生命线工程的关键。但是，桥梁工程规范中缺乏关于抗海啸设计的相关条文，目前国内外已经修建的跨海和滨海桥梁，大部分也都未进行抗海啸设计。海啸灾后调查报告表明，桥梁在遭遇海啸袭击后其上部结构被冲走或者发生较大位移的破坏是最为普遍的破坏类型。对于桥梁上部结构海啸作用力进行研究，提出合理有效的桥梁上部结构抗海啸措施是十分必要的。本文的主要研究内容如下：　　(1)基于ANSYSFluent建立了二维数值水槽，采用溃坝涌波的方式对海啸涌波进行模拟。对数值计算的基本控制方程以及溃坝涌波的理论进行简单介绍。通过与Stoker理论解以及PWRI的水槽试验数据的对比，对数值模拟的溃坝波的流场特征以及数值计算的桥梁上部结构海啸作用力的准确性进行了验证。　　(2)对桥梁上部结构海啸作用力的时程曲线进行了细致的划分，对各时程阶段中海啸作用力的时程特征及其产生机理进行了详细的分析。对桥梁上部结构的表面进行了划分，分别监测桥梁上部结构不同位置所受的海啸作用力，分析了其不同位置受力对于整体海啸作用力的贡献程度，并且对桥梁上部结构海啸作用力峰值的产生机理进行了深入研究。进一步地，研究了不同来流波高以及不同初始净空高度对桥梁上部结构海啸作用力的影响。　　(3)研究了在桥梁上部结构的迎水面上安装整流罩的措施对于海啸作用力时程特征的影响以及机理。对比了不同形式的整流罩对于海啸作用力峰值以及似平稳时期均值的影响。进一步地，研究了开孔的整流罩对桥梁上部结构海啸作用力的影响。　　(4)研究了在桥梁上部结构的顶板上设置空气孔的措施对于海啸作用力时程特征的影响。对比了不同尺寸空气孔对于桥梁上部结构海啸作用力峰值以及似平稳时期均值的影响。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1桥梁上部结构海啸作用力研究

1.2.2桥梁上部结构抗海啸措施研究

1.3 国内外研究中存在的问题

1.4 本文研究内容

第2章数值模型的建立及验证

2.1 引言

2.2 基本控制方程

2.3 数值模型

2.4 数值模型验证

2.4.1溃坝波的理论简介

2.4.2流场验证

2.4.3海啸作用力验证

2.5 本章小结

第3章桥梁上部结构海啸作用力的特征及机理研究

3.1 引言

3.2 工况介绍

3.3 海啸作用力的时程特征及机理分析

3.3.1水平作用力

3.3.2竖向作用力

3.3.3倾覆力矩

3.4 海啸涌波作用力的参数化研究

3.4.1来流波高

3.4.2初始净空高度

3.5 本章小结

第4章整流罩对桥梁上部结构海啸作用力的影响

4.1 引言

4.2 工况介绍

4.3 整流罩对海啸作用力的影响

4.3.1整流罩对水平作用力的影响

4.3.2整流罩对竖向作用力的影响

4.3.3整流罩对倾覆力矩的影响

4.4 开孔的整流罩对海啸作用力的影响

4.4.1开孔的整流罩对水平作用力的影响

4.4.2开孔的整流罩对竖向作用力的影响

4.5 本章小结

第5章空气孔对桥梁上部结构海啸力的影响

5.1 引言

5.2 工况介绍

5.3 空气孔对海啸作用力的影响

5.3.1空气孔对水平作用力的影响

5.3.2空气孔对竖向作用力的影响

5.3.3空气孔对倾覆力矩的影响

5.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果