海冰影響凍融損傷的橋梁結(jié)構(gòu)安全的機(jī)理及應(yīng)用研究.pdf

1、隨著人類對(duì)海上空間的開(kāi)發(fā)和利用，跨海大橋以其無(wú)與倫比的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益和獨(dú)特的造型、創(chuàng)新的技術(shù)如雨后春筍層出不窮。與陸地橋梁不同，跨海大橋下部支撐結(jié)構(gòu)處于環(huán)境復(fù)雜的海洋內(nèi)，特別是位于冰凍海域的橋梁結(jié)構(gòu)，鹽害、凍融、海冰、海浪、海流等多重腐蝕環(huán)境的綜合作用嚴(yán)重影響其安全問(wèn)題。大體積的流冰撞擊結(jié)構(gòu)引起的冰激振動(dòng)，不僅能引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，而且還有可能引起上部結(jié)構(gòu)或者設(shè)備的損壞和失效。此外，長(zhǎng)期的凍融循環(huán)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕破壞也會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的

2、耐久性和安全性。目前，海冰已成為跨海大橋及近海工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的不可忽視的主要環(huán)境因子和控制荷載之一。
　　 為保證冰凍海域跨海大橋的安全穩(wěn)定，深入開(kāi)展冰和結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理的相關(guān)研究，將會(huì)為跨海大橋的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)及改造提供重要的設(shè)計(jì)參數(shù)和理論根據(jù)。目前，此研究也越來(lái)越受到工程界的關(guān)注，并對(duì)海上工程提出了越來(lái)越多的更嚴(yán)格的限制和更可行的要求，這就對(duì)冰-結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理的研究、結(jié)構(gòu)安全性能評(píng)價(jià)等提出了更加迫切的需求和嚴(yán)格的要求。

3、
　　 鑒于以上因素，本文綜合考慮凍融破壞混凝土的性能衰退及冰激振動(dòng)等因素，全面系統(tǒng)的研究冰厚、冰速、結(jié)構(gòu)形狀、柱頂集中荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)的影響;采用多材料耦合的內(nèi)聚力冰模型，在流固耦合作用下，分析了樁間距、尺寸比率及結(jié)構(gòu)剛度等對(duì)結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)的影響，并以青島海灣大橋?yàn)楣こ瘫尘把芯苛瞬煌燮趦?nèi)凍融損傷橋梁下部結(jié)構(gòu)在冰激振動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)。
　　 本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 1.建立了凍融損傷混凝土本構(gòu)關(guān)

4、系
　　 本文基于室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究分析了不同凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土的力學(xué)性能衰退規(guī)律。在斷裂力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，建立了不同凍融循環(huán)次數(shù)混凝土的本構(gòu)關(guān)系。通過(guò)本構(gòu)關(guān)系可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線逐漸趨于扁平，應(yīng)力峰值明顯降低，應(yīng)力峰值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值逐漸增加，曲線與坐標(biāo)軸包圍的面積減小，耗能能力逐漸降低。
　　 2.研究了結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)及影響因素
　　 在理論分析的基礎(chǔ)上，利用通用的AN

5、SYS軟件建立了冰與不同形狀混凝土結(jié)構(gòu)相互作用的有限元模型，選用顯式非線性有限元軟件LS-DYNA對(duì)其作用過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。分析結(jié)果表明冰厚、冰速、結(jié)構(gòu)形式以及有無(wú)柱頂集中質(zhì)量等因素對(duì)冰破碎模式及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征都有不同程度的影響，分別分析其物理過(guò)程及影響程度，探索了冰和結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用的機(jī)理。
　　 3.建立了冰的內(nèi)聚力模型及研究了結(jié)構(gòu)的冰激響應(yīng)
　　 根據(jù)冰的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征及冰與直立結(jié)構(gòu)相互作用的楔形破壞理論，利用內(nèi)聚力理

6、論，建立冰的內(nèi)聚力數(shù)學(xué)模型。借助于LS-DYNA龐大齊全的材料模型庫(kù)，建立了多材料耦合的冰的內(nèi)聚力有限元模型;利用該軟件強(qiáng)大的動(dòng)力計(jì)算功能，考慮海水的影響，采用流固耦合的算法分別對(duì)柱間距、結(jié)構(gòu)剛度及尺寸比率對(duì)冰力及結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響進(jìn)行分析，得出一些有益的結(jié)論，為工程施工和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。4.將研究結(jié)果運(yùn)用于工程實(shí)踐，研究了凍融損傷混凝土橋梁下部結(jié)構(gòu)在不同服役期內(nèi)的冰激響應(yīng)
　　 以青島海灣大橋?yàn)楣こ瘫尘?，選取了兩種最不利的結(jié)構(gòu)類型，

7、考慮了下部混凝土承臺(tái)結(jié)構(gòu)的凍融破壞的影響，采用多材料耦合的冰內(nèi)聚力模型，分別建立了冰與結(jié)構(gòu)相互作用的有限元模型。針對(duì)青島海灣大橋的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，選用了12種不利工況組合，考慮海水的作用，采用流固耦合算法，分別對(duì)不同服役期內(nèi)不同工況下冰與結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　 結(jié)果表明:混凝土在凍融破壞作用下力學(xué)性能不斷衰退，結(jié)構(gòu)剛度下降，造成冰力峰值增加，位移最大偏移量增加，且在高設(shè)計(jì)水位工況下，最大位移偏移量增加的較快。結(jié)構(gòu)位移加速度極