跨海桥梁高桩承台极端波浪冲击作用机理及结构动力响应研究

Elevated pile cap is a common type of substructure used in the sea crossing bridges in China. When extreme wave acts on the elevated pile cap of bridge, it may induce extremely large slamming force. Meanwhile, since the natural frequency of the elevated pile cap might be close to the propagation frequency of the wave, structural dynamic response becomes very complex. However, the extreme wave slamming force mechanism and the load history calculation in the previous literatures have not been well understood and the dynamic response of bridge elevated pile cap under extreme waves is still imperfect. Therefore, this proposal focuses on the extreme wave slamming force mechanism and the structural dynamic response of elevated pile caps for sea crossing bridge, and plans to carry out the following investigations: firstly, deriving the mathematical model of the extreme wave slamming force on the elevated pile cap based on numerical simulations and wave flume experiments; secondly, developing the method to calculate the time history of extreme wave load considering the wave slamming force on the elevated pile caps for sea crossing bridges; finally, studying the structural dynamic response of elevated pile cap for bridge and proposing the evaluation method of the dynamic amplification effect for extreme wave. Achievements of the project provide the necessary theoretical basis for ensuring the structural safety of China's sea crossing bridges under extreme waves, and will be beneficial to promote the development and improvement of the design and construction specifications for sea crossing bridges.

高桩承台是我国跨海桥梁常用的下部结构形式。极端波浪作用下，桥梁高桩承台会受到极大的冲击荷载。同时，由于桥梁高桩承台结构频率可能接近波浪传播频率，结构动力响应十分复杂。然而已有研究对高桩承台极端波浪冲击作用机理与荷载时程计算认识不充分，桥梁高桩承台极端波浪动力响应研究尚未完善。为此，本项目围绕极端波浪冲击作用以及跨海桥梁高桩承台结构动力响应开展如下研究：首先，基于高桩承台极端波浪作用数值模拟和水槽试验，推导极端波浪冲击作用数学模型；其次，建立考虑波浪冲击作用的跨海桥梁高桩承台极端波浪荷载时程计算方法；最后，研究极端波浪对桥梁高桩承台结构动力响应的影响规律，提出极端波浪作用动力放大效应评价方法。项目研究成果将为保证我国跨海桥梁在极端波浪环境下的结构安全提供必要的理论依据，有助于推进跨海桥梁设计、施工规范的发展和完善。

跨海桥梁是我国交通大动脉上的关键结点和重大基础设施，是桥梁工程技术发展的前沿方向。由群桩和承台组成的高桩承台结构，因具备地质适应性好、造价低、施工便捷、风险小等特点，是我国跨海桥梁常用的深水基础形式。然而，随着跨海桥梁建设逐步由近海向远海推进，台风等恶劣气候引发的极端波浪作用于高桩承台结构时会产生极大的冲击作用，逐渐成为控制跨海桥梁设计的关键荷载之一。过去的研究对极端波浪特性及高桩承台极端波浪冲击作用机理的认识不充分，桥梁高桩承台极端波浪冲击荷载计算方法尚未完善。同时，由于采用高桩承台基础的跨海桥梁结构频率较低，甚至与波浪传播频率接近，极端波浪下的桥梁结构动力响应更加复杂。本项目以跨海桥梁高桩承台的极端波浪作用为研究对象，以数值模拟、水槽试验和理论推导为主要研究手段，对极端波浪环境参数、高桩承台波浪冲击作用机理、极端波浪荷载计算方法及桥梁结构动力响应规律开展了系统研究，取得如下创新成果：提出了桥址区波浪参数现场实测、数值模拟和短期预报的成套方法；通过现场实测、模型试验和数值模拟探明了极端波浪作用下跨海桥梁高桩承台受力特性及荷载作用机理；提出了高桩承台波浪冲击荷载时程的分段式数学模型，基于试验数据构建了承台波浪冲击荷载时程的双参数联合概率模型；提出了考虑波浪空间与二阶效应的跨海桥梁动力响应分析方法，研究了桥墩的波浪作用动力放大效应，揭示了台风随机波浪对采用高桩承台基础的跨海斜拉桥动力响应的影响规律，阐明了波流共同作用下桥梁结构可靠度退化规律。项目执行至今，发表SCI期刊论文18篇、EI期刊论文5篇及核心期刊论文12篇，取得国家发明专利1项，参加国际、国内学术会议8人次，经费执行率为97%。项目研究成果将为保证我国跨海桥梁在极端波浪环境下的结构安全提供必要的理论依据，部分成果应用于平潭海峡公铁两用大桥和甬舟铁路西堠门公铁两用大桥，有效推进了我国跨海桥梁设计、施工技术的发展和完善。