力學

跨海特大型橋梁風-浪耦合作用的隨機振動分析

劉高，陳上有，劉天成，等

摘要：目的：跨海特大型橋梁面臨著深水、強風、巨浪等惡劣海洋環(huán)境的嚴峻挑戰(zhàn)。強風、巨浪之間具有強烈的耦合性，風-浪耦合場與橋梁結構之間的相互作用是復雜的氣-液-固多物理場耦合作用問題。由于特大型橋梁結構剛度小、阻尼低，其對風-浪耦合場的動力荷載作用十分敏感，如何準確描述風-浪耦合場作用下橋梁結構的動力效應是特大型橋梁設計必須解決的技術難題。傳統(tǒng)橋梁設計中通常只考慮單獨風場的靜動力效應和波浪場的靜力效應，然后將計算結果進行疊加，不能夠準確反映橋梁結構在風-浪耦合場作用下的動力受力性能。為此，本文考慮風場、波浪場之間的耦合相關性以及風-浪耦合場與橋梁結構之間的動力耦合效應，建立跨海特大型橋梁風-浪耦合作用的隨機振動高效分析方法，為跨海特大型橋梁建設提供技術支撐。方法：考慮風-浪耦合場中風和波浪特征參數(shù)的相關性，建立了基于有限元法與邊界元法聯(lián)合分析的特大型橋梁風-浪耦合作用運動方程。其中，作用在橋梁大型深水基礎上的波浪力采用勢流理論和邊界元法進行計算，并建立有限元與邊界元單元組的映射關系，從而將邊界單元組上的波浪力映射到結構有限單元上；作用在橋梁上部結構的氣動力通過有限元法進行計算，包括由脈動風激發(fā)的非定常抖振力和由氣彈相互作用產生的自激力。在此基礎上，基于隨機振動分析的高效算法—虛擬激勵法，建立了橋梁風-浪耦合作用的隨機振動高效分析方法，并編制了計算分析程序。在此基礎上，以某跨海大橋主跨2×1500 m三塔斜拉橋方案的中塔最大雙懸臂施工狀態(tài)為工程背景，采用橋位處風-浪耦合場設計值參數(shù)，采用上述橋梁風-浪耦合作用的隨機振動高效分析方法及其分析程序，計算橋梁結構在不同工況下的內力響應并進行對比分析。結果：（1）在波浪場單獨作用下，海床位置處橋梁深水基礎的側向剪力標準差為90.6 MN，側向彎矩標準差為3557.0 MN·m，波浪對橋梁深水基礎的作用非常顯著。（2）在正交風-浪耦合場（風偏角β和波向角θ均取0°）作用下，橋梁深水基礎的內力響應比風場單獨作用的內力響應顯著增大。在水面及海床面處，風-浪耦合場作用與風場單獨作用的側向剪力標準差的比值分別為2.1和11.2。在海床面處，風-浪耦合場作用與風場單獨作用的側向彎矩標準差的比值為1.3。（3）在正交風-浪耦合場作用下，橋梁深水基礎的內力峰因子介于風場單獨作用和波浪場單獨作用工況的結果之間，其中側向剪力峰因子介于 3.0～3.2之間，側向彎矩峰因子介于3.1～3.2之間。在橋梁設計中，橋梁深水基礎的內力峰因子可取 3.2進行結構驗算。（4）在斜向風-浪耦合場（風偏角β=5°、波向角θ=0°）作用下，橋梁深水基礎的側向內力響應及其峰因子均比正交風-浪耦合場作用下的結果略有增大。在水面處，基礎側向剪力標準差和側向彎矩標準差分別增大了1.4%和0.1%，相應的峰因子分別增大了2.2%和0.1%。在海床面處，深水基礎側向剪力標準差和側向彎矩標準差分別增大了0.1%和0.2%，相應的峰因子分別增大了0.1%和0.2%。深水基礎側向內力響應的峰因子仍介于3.0～3.2之間，在橋梁設計中仍可取 3.2進行結構驗算。（5）在斜向風-浪耦合場作用下，主梁的側向內力響應及其峰因子均比正交風-浪耦合場效應有一定幅度的增大。在塔根處，主梁的側向剪力標準差和側向彎矩標準差分別增大了5.5%和3.7%，相應的峰因子分別增大了3.8%和5.7%。主梁側向內力響應的峰因子介于 2.9～3.5之間，在橋梁設計中可取3.5進行結構驗算。結論：（1）在正交風-浪耦合場作用下，橋梁深水基礎的內力響應比風場單獨作用的內力響應顯著增大。在海床面處，風-浪耦合場作用與風場單獨作用下的深水基礎側向剪力標準差的比值為11.2，側向彎矩標準差的比值為 1.3。風-浪耦合場作用下橋梁深水基礎的內力峰因子介于風場單獨作用和波浪場單獨作用工況的結果之間，在橋梁設計中可取 3.2進行結構驗算。（2）在斜向風-浪耦合場作用下，橋梁深水基礎和主梁的側向內力響應及其峰因子均比正交風-浪耦合場效應略有增大。在橋梁設計中，橋梁深水基礎和主梁的側向內力響應峰因子可分別取3.2和3.5進行結構驗算。（3）風-浪耦合作用對跨海特大型橋梁的的內力響應影響巨大。在橋梁設計中，必須詳細研究風-浪耦合場特征參數(shù)的各種組合。在此基礎上，分析風-浪耦合作用下橋梁結構的隨機動力響應，并根據(jù)最不利工況分析結果對結構進行驗算。

來源出版物：應用數(shù)學和力學, 2017, 38(1)： 75-89

入選年份：2017