桥墩海啸作用力研究及优化设计

摘要

海啸是一种比较少见的自然现象，其发生的频率相对较低，但极具破坏性，并且波及范围广，一旦发生，往往会对海啸发生地的建筑和基础设施造成摧毁式的破坏。自21世纪以来，已经发生过两次灾难性的海啸，例如2004年的印度尼西亚苏门塔腊大海啸、2011年的日本东北大海啸。这两次海啸均给人类带来了巨大的生命和财产损失。虽然我国近年来还未发生过海啸，但从历史和国内学者对我国发生海啸的风险分析来看，在我国沿海一带存在发生海啸的风险。而在这些沿海地区，存在着许多十分重要的桥梁。国外学者对海啸发生地的调研结果显示，许多桥墩在海啸中被破坏。因此，有必要对桥墩海啸作用力进行更为深入地研究。　　虽然国外许多学者已经对不同截面形状的桥墩海啸力及其特征做了大量的研究，但对其产生机理和截面形式优化的研究甚少。并且在这些研究中，大多数都是针对单根孤立桥墩开展的，而对于双柱式桥墩之间相互影响的研究也非常匮乏。　　针对以上不足，本文通过数值模拟的方式对单根孤立桥墩的海啸力特征及其产生机理进行了研究，并对桥墩的截面形式进行了优化，还研究了双柱式桥墩之间的相对角度对其海啸力的影响。主要内容如下：　　(1)采用国外“标杆”实验对数值模型的网格尺寸、湍流模型以及参数设置的正确性进行了验证，确立了计算桥墩海啸力的数值计算方法，并优化了网格的划分方式。　　(2)结合流场及桥墩表面压力分布，对具有相同迎水面宽度和横截面面积的方形、圆形和菱形桥墩的海啸作用力特征及其产生机理进行了研究，并对桥墩的截面形式进行了优化，然后对优化后的桥墩减小海啸力的机理进行了研究。　　(3)研究了采用新的截面形式的双柱式桥墩之间的相对角度对其海啸力的影响。　　(4)根据海啸涌波在优化后的桥墩表面运动的特征，对其作了二次优化，并阐述了其减小海啸作用力的机理。　　(5)对采用二次优化后的截面形式的双柱式桥墩之间的相对角度对其海啸力的影响进行了对比分析。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 海啸成因及特点

1.1.2 我国沿海地区海啸风险

1.1.3 海啸作用下桥梁下部结构破坏形态

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 本文研究内容

第2章桥墩海啸力数值计算方法研究

2.1 溃坝理论

2.2 三维数值模型优化及验证

2.2.1 网格优化

2.2.2 湍流模型

2.2.3 数值模拟结果验证

2.3 本章小结

第3章桥墩截面形式的优化

3.1 工况设置

3.2 桥墩海啸力特征及其机理分析

3.3 新型桥墩海啸力分析

3.3.1 新型桥墩设计

3.3.2 工况设置

3.3.3 新型桥墩减小海啸力验证

3.3.4 新型桥墩减小海啸力机理分析

3.4 讨论

3.4.1 具有相同截面面积的桥墩的海啸力

3.4.2 桥墩的升力

3.4.3 粘性效应

3.4.4 问题的本质

3.5 本章小结

第4章冲击角度对双柱式新型桥墩N60海啸力的影响

4.1 桥墩及其间距的选取

4.2 工况设置

4.3 不同相对角度下桥墩的海啸力分析

4.3.1 单根桥墩的海啸总力

4.3.2 双柱式桥墩整体海啸力

4.4 双柱式桥墩中各个桥墩的海啸总力随相对角度变化的机理分析

4.5 本章小结

第5章 基于新型桥墩N60截面形式的二次优化

5.1 工况设置

5.2 邻近桥墩表面的海啸涌波流的运动特征

5.3 新型桥墩海啸力分析

5.3.1 新型桥墩设计

5.3.2 新型桥墩减小海啸力验证

5.3.3 新型桥墩减小海啸力的机理分析

5.4 本章小结

第6章 冲击角度对双柱式新型桥墩N60-60海啸力的影响

6.1 工况设置

6.2 不同相对角度下桥墩的海啸力分析

6.2.1 单根桥墩的海啸总力

6.2.2 双柱式桥墩整体海啸力

6.3 双柱式桥墩中各个桥墩的海啸总力随相对角度变化的机理分析

6.4 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