冰荷载作用下渤海海域桥梁结构反应分析和安全评估方法研究

The Bohai sea is the sea area with the worst ice in China, and the ice loads greatly threaten the safety of structures in the sea. However, few researches have been carried out concerning the iced loads and their effects on sea-crossing bridges in the Bohai sea aera. The existing bridge design code ingornes the dynamic effects of the ice loads and lacks provisions concerning the structural analysis and safety evaluation of bridges under ice loads. Therefore, it may not be able to guarantee the safety and economical efficiencies of bridge designs. Using experimental, numerical and analytical methods, this project intends to research on the mathmatical modeling for ice loads on bridges, numerical model, analytical methods and damage evaluation method for bridges under ice loads, and further to reveal the damage mechanism of bridges damaged by ice loads. Ice load models suitable for the Bohai sea aera, partial load factor, and structural evaluation methods considering the fatigue effect, comfort and durability will be given out on the basis of structural reliability theory. Research achievements can provide scientific proofs for bridge design and specification drafting of the Bohai sea area.

渤海是我国冰情最为严重的海域，冰荷载对海上建筑结构的安全运营具有极大的威胁。目前，针对渤海海域桥梁的冰荷载以及冰荷载对桥梁安全影响的研究基本处于空白状态，现有的桥梁设计规范对冰荷载的规定过于简单，没有考虑冰荷载的动力作用，缺乏冰荷载作用下桥梁结构反应分析方法和安全评估方法，难以保证桥梁结构的安全性和经济性。本项目拟采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，基于渤海海域的特点，系统而深入地对桥梁结构冰荷载模型、冰荷载作用下桥梁结构反应分析模型与方法、以及冰荷载作用下桥梁结构的安全评估方法进行研究，揭示冰荷载作用下桥梁结构反应规律和损伤破坏机理。基于结构可靠度理论，给出适于渤海海域桥梁设计的冰荷载模型、荷载组合分项系数以及针对桥梁结构的疲劳损伤、耐久性、振动等评价方法，为渤海海域桥梁的抗冰设计和规范编制提供理论依据。

渤海是我国冰情最为严重的海域，动冰荷载作为渤海海域桥梁结构的一种特殊荷载，可能引起结构强烈振动，影响结构正常运营，甚至引发结构疲劳破坏。然而，目前桥梁设计规范缺乏动冰荷载的计算方法，同时缺乏针对动冰荷载作用下桥梁结构疲劳损伤和行车安全等问题的评估方法，使得跨海桥梁抗冰设计缺乏依据。本基金项目针对渤海海域冰激桥梁结构振动问题，通过对随机冰力和自激冰力两种动冰荷载模式的研究，分别建立了冰致桥梁随机振动和稳态振动下桥梁结构反应分析模型，提出了随机冰力作用下桥梁结构的疲劳损伤评估方法和自激冰力作用下桥上行车安全评估方法。本项目通过构建结构总冰力谱矩阵，给出了由局部极值冰力合成结构总冰力的计算方法，模拟得到的随机冰力与现场实测结果较为接近，验证了该方法的正确性。通过考虑冰的弹性变形、冰的挤压破坏断裂长度以及冰的挤压强度-应力速率非线性关系，建立了基于负阻尼效应的冰激结构自激振动模拟方法，模拟的冰力和结构振动与测量结果基本一致，该方法具有较高的模拟精度。基于渤海海域典型的地质、水文和冰情条件，考虑了水动力和软弱地基非线性的共同影响，分别建立了随机冰力和自激冰力作用下桥梁结构反应分析模型，获得了不同地基和水深条件下桥梁结构的动力反应规律。利用渤海冰参数的统计模型，给出了渤海冰参数的联合概率分布，提出了考虑冰参数组合概率的冰激桥梁疲劳损伤评估方法。利用罚函数法定义了车轮与桥面之间的接触关系，通过车辆和桥梁之间的接触力实现了车-桥耦合作用，建立了车-桥-冰相互作用系统的动力分析框架，提出了冰致桥梁稳态振动下桥上行车安全性及舒适性的评估方法。本项目的研究成果为渤海海域桥梁抗冰设计提供了理论分析方法。