桥梁群桩基础在船撞作用下的动力反应研究结题摘要

船撞作用下桥梁群桩基础的安全性缺乏研究。本研究针对船撞作用下群桩基础的动力反应机理，基于直接法的思路，耦合船—桥碰撞、土—结构相互作用，利用室内模型试验和数值模拟，开展了以下研究工作:(1)研究了船舶结构对船舶碰撞影响,分析了船艏水平向和竖向隔板数、形状及板厚等因素对船碰撞动力反应的影响，结果表明随着船舶刚度增大，船撞力随之增大，碰撞接触时长缩短，碰撞耗能率下降。(2)研究了船撞作用下单桩及群桩的动力反应，结果表明随着船舶重量增加，最大桩顶位移逐渐增加，最大桩顶加速度虽逐渐增加，但增幅不大。随着船速的增加，最大桩顶位移及最大桩顶加速度逐渐增大；随着撞击角度减小，最大承台加速度出现时刻、最大承台位移均逐渐减小，最大承台偏转角度先增大后减小，在撞击角度为 时，最大承台偏转角度最大。随着撞击位置从承台中心向承台边缘变化，承台加速度时程、最大承台位移变化较小，而最大承台偏转角度呈线性增加。随着上部荷载增加，最大桩顶加速度、最大桩顶位移均逐渐减小。随着露出地面桩长的增加，桩基础动力反应均逐渐增加，由于整体刚度变大，露出地面桩长对群桩的影响小于单桩。桩间距对群桩动力反应影响均较小。随着桩径和桩数的增加，最大桩顶加速度、最大桩顶位移逐渐减小，但减幅逐渐减小；随着土动弹性模量的增加，最大承台位移和最大承台加速度逐渐增加，增幅逐渐减小。(3)研究了混合桩水平抗弯刚度，分析了含钢率、泥皮弹性模量及泥皮厚度对混合桩的水平抗弯刚的影响。在此基础上，进行多元线性回归拟合分析，提出了混合桩水平抗弯刚度的计算方法。(4)研究了船撞作用下混合桩单桩动力反应，相同的船撞作用下，混合桩的桩顶最大位移、桩顶最大加速度比普通桩小得多，钢护筒明显提高了桩的抗水平撞击性能。有泥皮的混合桩的桩顶最大位移、桩顶最大加速度均大于无泥皮的，表明泥皮对于混合桩的水平承载性能存在不利影响。(5)研究了最大船撞力和各影响因素的关系，提出了考虑了土-结构相互作用船撞力计算方法，该方法中最大船撞力和船舶重量的开方成正比、和船速成正比、和桩径、土体剪切模量、地面以上桩长成指数函数关系。综上所述，在船撞作用下桩基础的动力反应机理研究基础上，提出土-结构相互作用对船撞力计算方法；针对船撞防护的新型桩基础-混合桩，提出了其水平抗弯刚度计算方法，并结合其结构特性分析船撞作用下动力反应影响，上述工作可指导船撞作用下桥梁桩基础的合理设计。

群桩基础是大型桥梁普遍采用的基础形式，而船撞作用下桥梁的群桩基础的安全性缺乏研究。目前船撞桥梁的研究中，简化处理了土-结构相互作用，严重影响了分析结果的精度和可靠性。本项目将针对桥梁群桩基础在船撞作用下的动力反应这一高度非线性的瞬态动力问题开展研究。基于直接法的思路，耦合船-桥碰撞、土-结构相互作用，开展室内模型试验和数值模拟。分析船体、桥梁结构（包括群桩基础）和土体在碰撞过程的动力特性，建立合理的模型，模拟上述耦合动力反应过程，揭示群桩基础、土体、船舶及上部结构等碰撞关联物体的特性对群桩基础在船撞作用下的动力反应的影响机理。在此基础上，进一步研究考虑土-结构相互作用的桥梁船撞力的计算方法和全桥在船撞作用下动力反应的群桩基础部分的简化模型。研究成果将推进船撞作用下桥梁结构的合理设计，促进全桥在船撞作用下动力反应等相关研究的发展。

本项目拟瞄准重大研究计划重大工程的动力灾变的总体目标，针对城市高架桥梁、跨海桥梁和深水高墩桥梁等长大桥梁，系统开展强震作用下长大桥梁的灾变全过程及控制研究。通过研究复杂受力条件下材料、构件的损伤动力效应以及结构的多维非线性动力效应，建立材料、构件的损伤动力本构模型以及结构的多维非线性动力行为模拟模型；通过研究结构－介质之间的动力相互作用效应，建立多点、多维地震作用下长大桥梁考虑结构－介质动力相互作用的非线性地震反应分析方法；通过研究长大桥梁在强震作用下的失效破坏机理和破坏倒塌机制，建立长大桥梁强震灾变全过程的数值模拟方法与动态可视化技术以及强震灾变过程控制的理论与方法，再现强震作用下长大桥梁的损伤、破坏和倒塌的灾变全过程。为建立基于性态的长大桥梁抗震设计及减灾控制的理论与方法，为全面开展重大工程强震动力灾变模拟的系统集成，提供坚实的理论基础和技术支撑，因此具有重大的理论意义和工程价值。 2100433B

近断层地震由于其显著的脉冲特性，导致土木工程结构产生灾难性破坏，引起了国际上研究者的极大关注和重视，而我国对此的研究起步相对较晚，对修建在高烈度区活性断层附近或横跨地震断层的桥梁的抗震性能，由于缺乏必要的理论研究和资料储备，目前已成为桥梁工程实践中一个亟需解决的技术难题。本项目拟针对斜拉桥结构，提出斜拉桥在近断层脉冲作用下的动力响应及其对策研究的课题，旨在通过对近断层地震动的认识，研究其作用下斜拉桥的动力响应特点和可能的破坏模式，深入了解斜拉桥的近断层抗震性能，探索有效的抗震措施，为我国修建在高烈度区靠近断层的大跨度桥梁设计提供抗震建议及对策。研究的主要内容包括：1）近断层脉冲地震特性及其引起的斜拉桥动力响应研究，2）考虑动力失稳的斜拉桥抗震计算理论和方法研究，3）近断层脉冲引起的桥塔的破坏模式研究，4）桥塔的振动台试验研究和5）斜拉桥在近断层脉冲作用下的抗震措施研究。