海冰影響凍融損傷的橋梁結構安全的機理及應用研究.pdf

1、隨著人類對海上空間的開發(fā)和利用，跨海大橋以其無與倫比的經濟、社會效益和獨特的造型、創(chuàng)新的技術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構處于環(huán)境復雜的海洋內，特別是位于冰凍海域的橋梁結構，鹽害、凍融、海冰、海浪、海流等多重腐蝕環(huán)境的綜合作用嚴重影響其安全問題。大體積的流冰撞擊結構引起的冰激振動，不僅能引起結構的疲勞破壞，而且還有可能引起上部結構或者設備的損壞和失效。此外，長期的凍融循環(huán)對混凝土結構的侵蝕破壞也會影響橋梁結構的

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構物設計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，深入開展冰和結構的相互作用機理的相關研究，將會為跨海大橋的設計、施工、運營及改造提供重要的設計參數和理論根據。目前，此研究也越來越受到工程界的關注，并對海上工程提出了越來越多的更嚴格的限制和更可行的要求，這就對冰-結構相互作用機理的研究、結構安全性能評價等提出了更加迫切的需求和嚴格的要求。

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等因素，全面系統(tǒng)的研究冰厚、冰速、結構形狀、柱頂集中荷載對結構的冰激振動的影響;采用多材料耦合的內聚力冰模型，在流固耦合作用下，分析了樁間距、尺寸比率及結構剛度等對結構的冰激振動的影響，并以青島海灣大橋為工程背景研究了不同服役期內凍融損傷橋梁下部結構在冰激振動作用下的動力響應。
　　 本文的主要研究內容如下:
　　 1.建立了凍融損傷混凝土本構關

4、系
　　 本文基于室內試驗的基礎上，研究分析了不同凍融循環(huán)次數的混凝土的力學性能衰退規(guī)律。在斷裂力學理論的基礎上，建立了不同凍融循環(huán)次數混凝土的本構關系。通過本構關系可以看出，隨著凍融次數的增加，混凝土的應力-應變關系曲線逐漸趨于扁平，應力峰值明顯降低，應力峰值所對應的應變值逐漸增加，曲線與坐標軸包圍的面積減小，耗能能力逐漸降低。
　　 2.研究了結構的冰激振動及影響因素
　　 在理論分析的基礎上，利用通用的AN

5、SYS軟件建立了冰與不同形狀混凝土結構相互作用的有限元模型，選用顯式非線性有限元軟件LS-DYNA對其作用過程進行了數值計算。分析結果表明冰厚、冰速、結構形式以及有無柱頂集中質量等因素對冰破碎模式及結構的響應特征都有不同程度的影響，分別分析其物理過程及影響程度，探索了冰和結構動力作用的機理。
　　 3.建立了冰的內聚力模型及研究了結構的冰激響應
　　 根據冰的細觀結構特征及冰與直立結構相互作用的楔形破壞理論，利用內聚力理

6、論，建立冰的內聚力數學模型。借助于LS-DYNA龐大齊全的材料模型庫，建立了多材料耦合的冰的內聚力有限元模型;利用該軟件強大的動力計算功能，考慮海水的影響，采用流固耦合的算法分別對柱間距、結構剛度及尺寸比率對冰力及結構響應的影響進行分析，得出一些有益的結論，為工程施工和設計提供依據。4.將研究結果運用于工程實踐，研究了凍融損傷混凝土橋梁下部結構在不同服役期內的冰激響應
　　 以青島海灣大橋為工程背景，選取了兩種最不利的結構類型，

7、考慮了下部混凝土承臺結構的凍融破壞的影響，采用多材料耦合的冰內聚力模型，分別建立了冰與結構相互作用的有限元模型。針對青島海灣大橋的運營環(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，分別對不同服役期內不同工況下冰與結構相互作用進行數值模擬。
　　 結果表明:混凝土在凍融破壞作用下力學性能不斷衰退，結構剛度下降，造成冰力峰值增加，位移最大偏移量增加，且在高設計水位工況下，最大位移偏移量增加的較快。結構位移加速度極