近海岸桥梁在极端波浪荷载作用下毁坏形式和机理研究项目摘要

本项目针对跨海近海岸桥梁在极端波浪荷载作用下灾变毁坏问题，采用数值仿真和宽水槽模型试验相结合的方法，开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理研究。研究中首先引入两相流的概念，建立了基于大涡模拟（LES）和流体体积法（VOF）的三维波浪与结构物相互作用的数学模型,重点将建立高精度自由水面追踪方法与虚拟边界力方法用于准确模拟强非线性破碎波与复杂桥梁结构物的相互作用。通过三维波浪与梁体的相互作用的数值仿真获得梁体所受的瞬时波浪力，结合宽水槽模型试验结果确定最不利的波浪荷载组合，分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势及桥梁周围流场动力特性。通过模拟在极端波浪荷载作用下近海岸桥梁结构失效模式研究桥梁的破坏形式和在海岸灾害中毁坏机理。为近海岸桥梁的设计和施工提供必要的理论基础和技术支撑。

近海岸桥梁面临海岸带环境中复杂的动力作用，这些动力作用一般包括风、波浪、潮汐和洋流等。风暴潮与波浪的联合作用往往使得跨海桥梁周围水位升高，波浪越顶，潮流紊乱，产生冲刷等，这些自然条件给桥梁的安全性带来巨大的隐患。我国跨海桥梁的兴建方兴未艾，近海岸桥梁的设计与建造必须考虑到海岸带可能发生的最恶劣情况，否则将会造成严重的灾难性事故。因此开展近海岸桥梁在极端波浪荷载作用下毁坏形式和机理的研究已成为急需解决的关键课题。 该项目采用数值仿真和水槽模型试验相结合的方法，开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理的研究。研究中首先引入两相流的概念，建立了基于大涡模拟（LES）和流体体积法（VOF）的三维波浪与结构物相互作用的数学模型,重点将建立高精度自由水面追踪方法与虚拟边界力方法用于准确模拟强非线性破碎波与复杂桥梁结构物的相互作用。通过三维波浪与梁体的相互作用的数值仿真获得梁体所受的瞬时波浪力，结合水槽模型试验结果确定最不利的波浪荷载组合。分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势及梁体周围流场动力特性。在此基础上，通过模拟在极端波浪荷载作用下近海岸桥梁结构失效模式研究桥梁的破坏形式和在海岸灾害中毁坏机理。通过该项目的研究取得如下成果： （1）建立基于大涡模拟和VOF方法的三维波浪与结构物相互作用的数学模型。在结构物边界处理研究中,结合虚拟边界力方法,提出二步边界定位法,实现流体与复杂结构物边界的精确模拟，并进一步针对三维波浪与复杂构形桥梁结构的相互作用进行计算程序的开发和应用研究,分析在三维波浪作用下,桥梁梁体所受的波浪力特点和梁体周围流场分布特性，为近海岸桥梁的抗波浪力和稳定性设计提供重要的理论依据和技术支撑。 （2）进行一系列的水槽模型试验。模型试验将桥梁高程、淹没深度、波高、规则波和不规则波作为变量进行试验对比，确定最不利的波浪荷载组合，分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势，研究极端波浪荷载作用下近岸桥梁结构失效模式和毁坏机理。 （3）通过三维波浪与桥梁相互作用仿真研究获得瞬时的梁体所受波浪荷载，结合水槽模型试验，深入开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理的研究，为近海岸桥梁的设计和施工提供必要的理论基础和技术支撑。这对进一步提高近海岸桥梁设计精细化研究，增强结构安全性和可靠性具有重要意义。 2100433B

建筑结构在其生命期内可能遭受各种极端荷载，如火灾、地震、爆炸等。设计结构完全承受极端荷载而不发生任何破坏是不经济合理的，因此，在极端荷载的作用下，往往允许部分结构构件发生破坏，而对整体结构进行抗连续倒塌设计。此时，结构的整体稳定性极大地依赖于节点在拉力作用下的抗破坏能力。本项目主要针对火灾的情况，通过实验与数值分析的方法，研究常用的钢结构节点类型在不同温度下以及不同的荷载组合状态下的拉结能力。并将试验结果与有限元分析相结合，开发和完善常用节点类型的基于组件模型。该模型以较为简单的方法反映真实的节点特性与失效准则，因此，将该模型融入框架结构的数值分析模型中，不仅可以真实地模拟节点和其它结构构件之间的相互作用，而且可以分析由节点破坏引起的结构抗连续倒塌性能。因常温为高温研究的一个特殊状态，因此其研究成果也可应用于结构遭受其他极端荷载时的节点性能评估。

本项目的研究内容是钢结构中的节点在遭受各种极端荷载，比如火灾、地震、爆炸等的作用下，承受非常规的极端荷载，发生大变形而不发生断裂性破坏的能力。研究的重点是火灾下钢结构节点承受多种荷载组合时的承载能力。项目执行过程中进行了以下工作： 1. 进行了6个端板式钢结构节点以及2个双角钢钢结构节点的高温火灾试验，记录了试验过程中钢结构的荷载、温度、变形等数据。8个试件考虑了不同连接形式、端板厚度、荷载组合等的影响。 2. 进行了节点高温下力学行为的有限元模拟，提出了在各种不同的受力组合、不同的几何尺寸下的破坏模式特征以及极限承载力规律。 3. 改进了端板式钢结构节点的弹簧简化分析模型，在原有仅能考虑拉 弯组合的基础上，引入了剪力的影响，因此，形成通用的可以考虑节点在任意拉 剪 弯的耦合作用的简化模型。 目前的结构整体分析工具往往假定简单的刚接或铰接的节点特性，或者能模拟具有一定弹性转动刚度的节点，但不能直接考虑节点的极限承载力及破坏。本项目中的弹簧简化分析模型可以轻易地引入任何结构整体分析有限元程序中，并模拟节点发生大变形至破坏的全过程，因此，可以推动极端灾害荷载作用下结构的整体抗倒塌分析。 2100433B

目前工程设计有意地设计结构在极端荷载（地震，船撞等）作用下进入可控的塑性状态，通过塑性构件（如塑性铰）或耗能构件（如阻尼器等）的减震效能作用来保证结构的安全性。项目研究基于自适应最小误差法的损伤识别理论；研究静力凝聚方法与该方法的结合以缩减复杂结构中不易测量的自由度；对弹塑性抗震设计桥梁在极端荷载作用下的塑性损伤性能进行参数识别；讨论不同特性弹塑性模型的识别精度和适用性；并通过模型试验，验证方法的可行性。目前频域和时域范围的结构参数识别方法更多着眼于弹性构件的损伤(如刚度损失)，而对认为设计的弹塑性构件的损伤识别方法研究不够。研究提出的基于自适应最小二乘法的识别方法理论上能够兼顾全局及局部优化条件，试验和工程上能识别结构及构件的性能参数变化，且适用于给定非线性本构模型。当极端荷载发生时，通过监测到的结构响应及时识别结构损伤以及所设计的塑性构件和耗能构件的特性，对把握结构的性能、确认其可靠性、决定灾后恢复与加固方案，故该方法的发展具有重要的理论和工程实践意义。研究成果可广泛应用于桥梁等复杂结构在地震等突发荷载作用后的损伤评估，尤其适用于快速评估。 2100433B