冰海域中墩柱结构地震损伤过程模拟及灾变机制研究

我国拥有约300万平方公里海洋面积，随着经济建设及海洋大开发的不断深入，越来越多的重要桥梁、港口、采油平台将建设在复杂恶劣环境中（例如海冰、潮汐、流体、海浪及复杂地质环境等）。尤其是我国北方沿海地区，属于冰雪灾害比较严重的地区同时又是地震多发区，近年来冰冻及地震灾害呈现明显多发趋势。考虑地震作用下冰水介质与墩柱结构动力耦合效应，研究大型沿岸工程结构的损伤机理，揭示其破坏倒塌机制，将为建设沿岸重大工程建设和运营提供科学依据和技术支撑。本课题通过研究地震作用下冰水环境介质-结构-基础动力相互作用特点，基于水中振动台实验，对常遇及罕遇地震下不同冰层范围及厚度条件下墩柱结构的损伤过程进行模拟，通过分析地震作用下水中结构振动特性及衰减规律研究其灾变机制，建立冰水复杂荷载环境下考虑流固耦合效应的非线性建模理论与计算方法，拓展多灾害环境下考虑结构与冰水环境介质动力耦合作用的结构性能设计的新思路。

本研究基于理论分析、模型实验和数值仿真开展了不同冰层范围及厚度条件下墩柱结构的动力损伤过程模拟，研究了冰水荷载对结构的动力破坏机制，为解决工程结构在极端荷载条件下结构设计所涉及的核心技术问题奠定了基础。取得的主要成果包括：.（1）通过复杂冰水环境和地震共同作用下墩柱结构的相互作用的数值模拟，提出了动冰力修正模型。在修正的动冰力模型和动冰水附加质量的基础上，建立了地震作用下冰-结构-水动力相互作用的简化计算模型。经振动台实验验证了该模型的可靠性。 .（2）研究了地震作用下，不同冰层厚度、不同结冰温度对水中墩柱的力学特征的影响。研究表明：在地震荷载作用下，冰对桥墩侧面的动水压力影响显著。随着冰厚的增加，桥墩侧面动水压力逐步增大，动水压力影响系数逐步增大，而且海冰改变了动水压力的分布形式；固结冰的冰厚较小时，有冰情况下桥墩结构的破坏率明显高于无冰情况下，最高可达15%以上，且桥墩被自由冰包围时，远场地震波作用下海冰对单柱式桥墩顶部的最大位移和残余变形的影响较大，而近场地震波作用下对海冰的影响则相对较弱。.（3）基于模型试验和数值仿真分析，研究了墩柱结构遭受不同层次冰冻范围和冰层厚度及不同水准地震时（常遇和罕遇）墩柱结构动力损伤机制与破坏模式。研究发现：在多点一致地震激励下，固结冰对桥墩的抗倒塌性能的影响可能会被低估。另外，与近场地震作用下相比，在远场地震作用下，相同地震强度时桥墩结构响应更显著；不同水深的冰冻范围和不同类型地震条件下，墩身位移和加速度、墩底最大弯矩和剪力随着冰体边界范围的增大而增大。.（4）对大型跨海桥的实例研究表明：自由冰和固结冰对桥墩的地震反应都有较大的影响，且对于自由冰，桥墩抗倒塌储备系数与自由冰冰厚、水深都有明显的负相关性。实例研究表明：冰对结构自振特性影响较大，有冰时频率比无冰时频率增大21%。冰对桥梁下部结构内力响应影响显著。.（5）开展了常遇和罕遇地震作用下冰载及地震动水压力理论分析与计算方法研究，以及不同类型地震波对水中结构的影响与机理、水中结构振动特性及衰减规律研究。推导出了冰水域墩柱结构地震响应的运动方程，建立了适用于实际工程设计领域的水-冰-桥墩动力相互作用简化计算方法，并建立了赋予实际工程应用的数值分析方法，可以进行全桥时程动力响应分析。