近海岸橋梁在極端波浪荷載作用下毀壞形式和機(jī)理研究

近海岸橋梁面臨海岸帶環(huán)境中復(fù)雜的動力作用，這些動力作用一般包括風(fēng)、波浪、潮汐和洋流等。風(fēng)暴潮與波浪的聯(lián)合作用往往使得跨海橋梁周圍水位升高，波浪越頂，潮流紊亂，產(chǎn)生沖刷等，這些自然條件給橋梁的安全性帶來巨大的隱患。我國跨海橋梁的興建方興未艾，近海岸橋梁的設(shè)計與建造必須考慮到海岸帶可能發(fā)生的最惡劣情況，否則將會造成嚴(yán)重的災(zāi)難性事故。因此開展近海岸橋梁在極端波浪荷載作用下毀壞形式和機(jī)理的研究已成為急需解決的關(guān)鍵課題。 該項目采用數(shù)值仿真和水槽模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開展近海岸橋梁在極端波浪荷載下毀壞形式和機(jī)理的研究。研究中首先引入兩相流的概念，建立了基于大渦模擬（LES）和流體體積法（VOF）的三維波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)學(xué)模型,重點(diǎn)將建立高精度自由水面追蹤方法與虛擬邊界力方法用于準(zhǔn)確模擬強(qiáng)非線性破碎波與復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)物的相互作用。通過三維波浪與梁體的相互作用的數(shù)值仿真獲得梁體所受的瞬時波浪力，結(jié)合水槽模型試驗(yàn)結(jié)果確定最不利的波浪荷載組合。分析橋梁在波浪荷載作用下的受力特點(diǎn)、最大波浪力隨淹沒深度變化趨勢及梁體周圍流場動力特性。在此基礎(chǔ)上，通過模擬在極端波浪荷載作用下近海岸橋梁結(jié)構(gòu)失效模式研究橋梁的破壞形式和在海岸災(zāi)害中毀壞機(jī)理。通過該項目的研究取得如下成果： （1）建立基于大渦模擬和VOF方法的三維波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)學(xué)模型。在結(jié)構(gòu)物邊界處理研究中,結(jié)合虛擬邊界力方法,提出二步邊界定位法,實(shí)現(xiàn)流體與復(fù)雜結(jié)構(gòu)物邊界的精確模擬，并進(jìn)一步針對三維波浪與復(fù)雜構(gòu)形橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行計算程序的開發(fā)和應(yīng)用研究,分析在三維波浪作用下,橋梁梁體所受的波浪力特點(diǎn)和梁體周圍流場分布特性，為近海岸橋梁的抗波浪力和穩(wěn)定性設(shè)計提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。 （2）進(jìn)行一系列的水槽模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)將橋梁高程、淹沒深度、波高、規(guī)則波和不規(guī)則波作為變量進(jìn)行試驗(yàn)對比，確定最不利的波浪荷載組合，分析橋梁在波浪荷載作用下的受力特點(diǎn)、最大波浪力隨淹沒深度變化趨勢，研究極端波浪荷載作用下近岸橋梁結(jié)構(gòu)失效模式和毀壞機(jī)理。 （3）通過三維波浪與橋梁相互作用仿真研究獲得瞬時的梁體所受波浪荷載，結(jié)合水槽模型試驗(yàn)，深入開展近海岸橋梁在極端波浪荷載下毀壞形式和機(jī)理的研究，為近海岸橋梁的設(shè)計和施工提供必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。這對進(jìn)一步提高近海岸橋梁設(shè)計精細(xì)化研究，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性和可靠性具有重要意義。 2100433B

本項目針對跨海近海岸橋梁在極端波浪荷載作用下災(zāi)變毀壞問題，采用數(shù)值仿真和寬水槽模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開展近海岸橋梁在極端波浪荷載下毀壞形式和機(jī)理研究。研究中首先引入兩相流的概念，建立了基于大渦模擬（LES）和流體體積法（VOF）的三維波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)學(xué)模型,重點(diǎn)將建立高精度自由水面追蹤方法與虛擬邊界力方法用于準(zhǔn)確模擬強(qiáng)非線性破碎波與復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)物的相互作用。通過三維波浪與梁體的相互作用的數(shù)值仿真獲得梁體所受的瞬時波浪力，結(jié)合寬水槽模型試驗(yàn)結(jié)果確定最不利的波浪荷載組合，分析橋梁在波浪荷載作用下的受力特點(diǎn)、最大波浪力隨淹沒深度變化趨勢及橋梁周圍流場動力特性。通過模擬在極端波浪荷載作用下近海岸橋梁結(jié)構(gòu)失效模式研究橋梁的破壞形式和在海岸災(zāi)害中毀壞機(jī)理。為近海岸橋梁的設(shè)計和施工提供必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

建筑結(jié)構(gòu)在其生命期內(nèi)可能遭受各種極端荷載，如火災(zāi)、地震、爆炸等。設(shè)計結(jié)構(gòu)完全承受極端荷載而不發(fā)生任何破壞是不經(jīng)濟(jì)合理的，因此，在極端荷載的作用下，往往允許部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生破壞，而對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計。此時，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性極大地依賴于節(jié)點(diǎn)在拉力作用下的抗破壞能力。本項目主要針對火災(zāi)的情況，通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析的方法，研究常用的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)類型在不同溫度下以及不同的荷載組合狀態(tài)下的拉結(jié)能力。并將試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析相結(jié)合，開發(fā)和完善常用節(jié)點(diǎn)類型的基于組件模型。該模型以較為簡單的方法反映真實(shí)的節(jié)點(diǎn)特性與失效準(zhǔn)則，因此，將該模型融入框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型中，不僅可以真實(shí)地模擬節(jié)點(diǎn)和其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的相互作用，而且可以分析由節(jié)點(diǎn)破壞引起的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能。因常溫為高溫研究的一個特殊狀態(tài)，因此其研究成果也可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)遭受其他極端荷載時的節(jié)點(diǎn)性能評估。

本項目的研究內(nèi)容是鋼結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)在遭受各種極端荷載，比如火災(zāi)、地震、爆炸等的作用下，承受非常規(guī)的極端荷載，發(fā)生大變形而不發(fā)生斷裂性破壞的能力。研究的重點(diǎn)是火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承受多種荷載組合時的承載能力。項目執(zhí)行過程中進(jìn)行了以下工作： 1. 進(jìn)行了6個端板式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)以及2個雙角鋼鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的高溫火災(zāi)試驗(yàn)，記錄了試驗(yàn)過程中鋼結(jié)構(gòu)的荷載、溫度、變形等數(shù)據(jù)。8個試件考慮了不同連接形式、端板厚度、荷載組合等的影響。 2. 進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)高溫下力學(xué)行為的有限元模擬，提出了在各種不同的受力組合、不同的幾何尺寸下的破壞模式特征以及極限承載力規(guī)律。 3. 改進(jìn)了端板式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的彈簧簡化分析模型，在原有僅能考慮拉 彎組合的基礎(chǔ)上，引入了剪力的影響，因此，形成通用的可以考慮節(jié)點(diǎn)在任意拉 剪 彎的耦合作用的簡化模型。 目前的結(jié)構(gòu)整體分析工具往往假定簡單的剛接或鉸接的節(jié)點(diǎn)特性，或者能模擬具有一定彈性轉(zhuǎn)動剛度的節(jié)點(diǎn)，但不能直接考慮節(jié)點(diǎn)的極限承載力及破壞。本項目中的彈簧簡化分析模型可以輕易地引入任何結(jié)構(gòu)整體分析有限元程序中，并模擬節(jié)點(diǎn)發(fā)生大變形至破壞的全過程，因此，可以推動極端災(zāi)害荷載作用下結(jié)構(gòu)的整體抗倒塌分析。 2100433B

目前工程設(shè)計有意地設(shè)計結(jié)構(gòu)在極端荷載（地震，船撞等）作用下進(jìn)入可控的塑性狀態(tài)，通過塑性構(gòu)件（如塑性鉸）或耗能構(gòu)件（如阻尼器等）的減震效能作用來保證結(jié)構(gòu)的安全性。項目研究基于自適應(yīng)最小誤差法的損傷識別理論；研究靜力凝聚方法與該方法的結(jié)合以縮減復(fù)雜結(jié)構(gòu)中不易測量的自由度；對彈塑性抗震設(shè)計橋梁在極端荷載作用下的塑性損傷性能進(jìn)行參數(shù)識別；討論不同特性彈塑性模型的識別精度和適用性；并通過模型試驗(yàn)，驗(yàn)證方法的可行性。目前頻域和時域范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)識別方法更多著眼于彈性構(gòu)件的損傷(如剛度損失)，而對認(rèn)為設(shè)計的彈塑性構(gòu)件的損傷識別方法研究不夠。研究提出的基于自適應(yīng)最小二乘法的識別方法理論上能夠兼顧全局及局部優(yōu)化條件，試驗(yàn)和工程上能識別結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的性能參數(shù)變化，且適用于給定非線性本構(gòu)模型。當(dāng)極端荷載發(fā)生時，通過監(jiān)測到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)及時識別結(jié)構(gòu)損傷以及所設(shè)計的塑性構(gòu)件和耗能構(gòu)件的特性，對把握結(jié)構(gòu)的性能、確認(rèn)其可靠性、決定災(zāi)后恢復(fù)與加固方案，故該方法的發(fā)展具有重要的理論和工程實(shí)踐意義。研究成果可廣泛應(yīng)用于橋梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)在地震等突發(fā)荷載作用后的損傷評估，尤其適用于快速評估。 2100433B