跨海桥梁超大直径复合断面独柱桩墩多灾害性能设计理论研究

The sea bridges might be attacked by large waves, earthquakes, vessel collisions, etc., therefore it necessary to design the bridges to be of the capacity to resist multi-hazard actions. Based on this demand for sea bridges, following research work will be carried out: (1) To develop a class of single column piers with extra-large diameter and composite cross section, which is of the capacity to reduce the force from sea waves and is of high resistance capacity and high toughness to earthquakes and vessel collisions. The damage mechanics and modes will be discussed and the relative performance-based design method will be developed. (2) The loading models of sea water for the coupled system consisting of the developed piers and protective structures against vessel collision will be established, the dynamic interaction models for the coupled system and dynamic analysis methods will be developed. (3) The parametric analysis will be carried out for sea bridges with the developed piers by this project under sea waves, earthquakes and vessel collisions to investigate the damage mechanics and damage modes, and then to suggest a group of performance indices and relative parameters for damage evaluation of the developed piers under multi-hazard actions. (4) Based on the research results from this project, coupled performance function for multi-hazard actions will be established; and then both the deterministic and the probabilistic performance evaluation methods and optimization methods for the developed piers and sea bridges with the developed piers under multi-hazards will be established.

跨海航道桥梁可能遭受到波流、地震、船舶撞击等作用，因此需要保证其在严酷的多灾害作用下的安全。本项目以此为背景，开展以下几方面的工作：（1）研发超大直径高韧性复合断面独柱桩墩，可减小波流作用效应，对地震和船舶作用具有高抗力和高韧性；研究复合断面独柱桩墩的破坏机理与破坏模式，建立相应的性能设计理论与方法；（2）研究防船撞装置-复合断面独柱桩墩耦合体系上的流体作用模型以及动力相互作用力学模型，建立耦合系统多灾害动力分析方法；（3）针对采用超大直径复合断面独柱桩墩的跨海桥梁进行系统全面的在波流、地震、船舶撞击等多灾害作用下的参数分析，探索其多灾害整体动力反应特征及破坏模式，提出其多灾害性能评价指标和参数；（4）根据本项目的研究结果，建立多灾害耦合极限状态函数；在确定性和概率性两个框架下，建立超大直径复合断面独柱桩墩以及应用该类型桥墩之跨海桥梁的多灾害性能评价和优化的理论和方法。

取消复杂承台施工的单桩独柱墩基础结构简洁，受力合理，在跨海深水桥梁中有广阔的发展前景。由于自浮式防船撞装置的存在，会对桥墩和基础所受波浪力产生影响。针对独柱墩与自浮式防船撞装置耦合体系在波浪作用下的受力性能和特点进行研究，简化水动力为Morison方程的形式并提取相应的波浪荷载，拟合出结构水动力系数与相关影响因素的定量关系，为工程计算提供参考。主要的工作内容如下：.（1）介绍流体力学中常见波浪理论及适用范围，对小尺度墩柱结构波浪力计算方法进行阐述，比较了目前波浪力计算的常用方法；.（2）开展室内波浪力试验，针对独柱墩、独柱墩-固定式防船撞装置和独柱墩-自浮式防船撞装置结构体系进行研究，改变波浪要素及结构要素等，得到不同工况下墩柱和装置的受力特性等，探究防船撞装置对墩柱所受水动力的影响；.（3）利用FLUENT软件建立三维数值水槽，选取合适的造波消波方法、网格尺寸及湍流模型，验证数值波浪模拟的有效性。在水槽中建立独柱墩模型及独柱墩-固定式防船撞装置模型，与室内试验结果进行比对从而验证校准数值模型。提取相应的波浪荷载以便工程应用参考，把墩柱所受水动力分解为Morison方程的形式，拟合出水动力系数和不同影响因素的定量关系；.（4）利用AQWA软件建立独柱墩-自浮式防船撞装置数值模型，并与试验结果进行比对从而校准模型。模拟自浮式防撞装置在波浪作用下的运动形态以及墩柱与装置间的接触-分离现象，提取相应的波浪荷载和接触荷载，拟合得到结构水动力系数，并得出与相关影响因素的定量关系；.（5）总结工程中关于结构物水动力的常用计算方法及公式，以鱼山大桥为工程案例进行计算分析，验证墩柱-防船撞装置水动力系数拟合公式的有效性和适用性。