基础约束对大型跨海斜拉桥动力效应的影响

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近些年,随着国家综合实力的日益强大,带动了基础设施建设领域的飞速发展,在我国沿海地区,伴随经济高速发展,人们对于交通运输的便利性以及高效性提出了越来越高的需求,其中在海洋工程中跨海桥梁的建设为解决这一需求功不可没。恶劣海洋环境中的强风、巨浪等荷载对跨海桥梁结构的动力效应具有明显的影响作用,然而对于考虑基础与海床土体之间动力相互作用以及冲刷问题的大型跨海桥梁动力效应研究则较少见。本文建立跨海斜拉桥模型并进行数值模拟研究,首先计算塔底采用固定约束和弹簧约束(考虑基础与土体之间相互作用)两种模式下结构动力效应的异同,其次分析基础冲刷对跨海斜拉桥动力效应的影响,最后研究跨海斜拉桥动力效应中,特殊的浪致共振(波浪使桥梁结构产生大幅度振动)现象以及风荷载对浪致共振的影响。本文主要研究内容及成果如下:(1)通过有限元软件ANSYS建立大型跨海斜拉桥模型,将其动力效应与试验工况结果进行比对,验证有限元模型的正确性。计算单独桥塔和全桥在塔底采用固定约束和弹簧约束时的动力效应,其中基础和土体之间的相互作用根据“m”法获得。结果表明当不考虑基础与土体之间的相互作用时,风浪联合作用下单独桥塔的塔顶位移减少5.44%、基底剪力减少0.88%、基底弯矩减少1.57%;全桥塔顶位移减少7.83%、跨中位移减少0.12%、基底剪力减少1.75%、基底弯矩减少2.92%,因此在进行大型跨海斜拉桥动力效应分析时应考虑基础和海床土体之间的相互作用,不应简化塔底为固定端。(2)建立大型跨海斜拉桥有限元冲刷模型,计算不同基础冲刷深度时,极端不规则波、风以及风浪联合作用下单独桥塔和斜拉桥的动力效应,并分析其动力效应变化规律,结果表明随着冲刷深度加大,波浪荷载对结构的动力效应影响最大,桥塔的塔顶位移放大86.27%、基底剪力变化较小主要由输入荷载大小决定、基底弯矩放大51.51%;全桥塔顶位移放大54.70%、跨中位移放大61.78%、基底剪力放大4.41%、基底弯矩放大23.41%,冲刷对大型跨海斜拉桥的安全影响巨大,桥梁设计中应充分考虑基础冲刷。(3)计算分析入射波浪荷载频率与跨海桥梁结构自振频率接近时桥梁结构的动力效应,发现塔顶位移、跨中位移、基底剪力和基底弯矩均出现浪致共振效应,再计算不同风速风荷载对桥梁结构浪致共振的影响,风荷载对跨海桥梁浪致共振的影响,分为浪控制区域、过渡区域和风控制区域,当脉动风荷载与波浪荷载达到同向极值时会增强浪致共振,当脉动风荷载与波浪荷载达到反向极值时会抑制浪致共振,为大型跨海斜拉桥设计是否考虑波浪荷载的动力效应提供重要参考。
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