海啸对桥梁的作用力及破坏机理研究

The coastal Infrastructures including bridges were seriously destroyed by the 2004 Indian Ocean Tsunami and the 2011 Great East Japan Tsunami. There are no articles related to tsunamic loads in bridge and coastal structure codes and all the bridges been built are lack of tsunami resistant design, because the study of tsunami force on bridge is still at start stage at present. Although some guides about tsunami forces have been advised in America and Japan, numerous problems keep unsolved. Parts of coastal lines, some islands and reefs in the South China Sea and lots of infrastructures abroad are located at tsunami hazard area, so the bridges which play an important role in these districts are under threat of tsunami. It’s necessary and urgent to conduct fundamental research on tsunami forces which can benefit to improve the safety of bridge and amend bridge codes. A comprehensive method including model test and numerical simulation will be employed to study some key important problems in tsunami forces, namely interaction between fluid and structure, peek value of impact force, vertical force on bridge deck by tsunami, the total force of superstructure and substructure. Also the failure mechanism of classic failure mode of simple supported girder bridge will be explored and aiming at practical application, optimization design of tsunami force will be studied.

2004年印度洋海啸和2011年日本海啸对滨海基础设施，包括桥梁造成了巨大破坏。国内外对桥梁海啸作用力的研究目前处于起步阶段，桥梁、近海结构等相关规范中缺失海啸荷载计算条文, 已建桥梁都未进行抗海啸设计。虽美日等国近年提出了一些海啸荷载计算指南，但仍存在大量问题。我国部分海岸、南海部分岛礁，都具有较高的海啸风险，众多海外基建项目也位于海啸高风险区，分布在这些区域的桥梁受到海啸的威胁。开展桥梁海啸作用力的基础研究，对保障桥梁安全，完善我国桥梁规范，是极其必要和紧迫的。本项目拟综合采用模型试验、数值模拟的手段，对目前桥梁海啸力计算中存在的一些关键问题开展研究，包括结构与流场相互影响、冲击力峰值、竖向升力和桥梁上部、下部结构整体海啸力计算方法等；同时研究海啸作用下桥梁典型破坏形式的破坏机理；并从工程应用的角度，研究减小桥梁海啸作用力优化设计的方法。

2004年印度洋海啸和2011年日本海啸对滨海基础设施，包括桥梁造成了巨大破坏。国内外对桥梁海啸作用力的研究目前处于起步阶段，桥梁、近海结构等相关规范中缺失海啸荷载计算条文, 已建桥梁都未进行抗海啸设计。我国部分海岸具有较高的海啸风险，众多海外基建项目也位于海啸高风险区，分布在这些区域的桥梁受到海啸的威胁。开展桥梁海啸作用力的基础研究，对保障桥梁安全，完善我国桥梁规范，是极其必要和紧迫的。.本项目综合采用模型试验、数值模拟的手段，对目前桥梁海啸力中存在的一些关键问题开展研究，包括结构与流场相互影响、冲击力峰值、竖向升力和桥梁上部、下部结构海啸力计算方法等；同时研究了海啸作用下桥梁典型破坏形式的破坏机理；并从工程应用的角度，研究了减小桥梁海啸作用力优化设计的方法。.通过本研究：建立了海啸涌波、桥梁结构海啸力的CFD数值模拟方法；获得了海啸涌波流场特性，结构与海啸涌波相互作用时的流场特性；得到了板梁、箱梁和T梁水平海啸力、竖向海啸力以及倾覆弯矩时程曲线特征，揭示了水平海啸力、竖向海啸力的产生机理；发现了桥梁上部结构水平海啸力、竖向海啸力峰值出现的规律，以及峰值产生的根本原因；得到了圆形、圆端形桥墩表面压力分布，提出了圆形、圆端形桥墩海啸荷载计算方法；提出了板梁、箱梁和T梁海啸荷载计算方法；探明了海啸作用下桥梁上部结构破坏机理，得到了海啸作用下桥梁上部结构典型破坏模式；研究并试验验证了上部结构减小海啸力的措施：整流罩和腔室开孔；对桥墩进行了优化，提出了新型桥墩N60和N60-60，并试验验证了其减小海啸力的有效性。.本项目研究成果有助于完善桥梁海啸力计算理论，可为桥梁海啸力相关规范制定提供参考，也可直接为我国海啸高危地区的桥梁设计提供参考。