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基于CFD方法的浅埋基础桥梁洪水损伤研究

基于CFD方法的浅埋基础桥梁洪水损伤研究

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作者：樊港平黑龙江大学

学位级别：硕士

近年来,因洪水冲刷而导致的桥梁垮塌事件频频发生,显示出当前气候变化对交通基础设施安全构成的严重威胁。浅埋基础桥梁由于其埋置深度较浅,土壤与基础间接触面积较小,特别容易受到冲刷的影响,进而遭受结构性损伤。然而,国内外对此现象... 详细信息

近年来,因洪水冲刷而导致的桥梁垮塌事件频频发生,显示出当前气候变化对交通基础设施安全构成的严重威胁。浅埋基础桥梁由于其埋置深度较浅,土壤与基础间接触面积较小,特别容易受到冲刷的影响,进而遭受结构性损伤。然而,国内外对此现象的研究不足,对于灾害防控的重视程度也有待提高。这一现状揭示了一个现实需求:加强对浅埋基础桥梁在洪水环境下损伤行为的研究,从而为其安全评估和维护提供更为有效的策略和措施。浅埋基础桥梁水毁的突发性极大,这一特征源于其内部损伤的强隐匿性。通常这些内部损伤不易被及时发现,在外观上完好无损的桥梁结构中,隐性的损伤如混凝土塑性损伤、基础局部脱空或构件位移响应等,可能悄然累积。特别当重型车辆经过这些已部分受损的浅埋基础桥梁时,这些隐形的损伤会瞬间恶化,使关键构件在短时间内超出其承受能力而失效,继而引发连锁反应,导致桥梁结构的急剧崩溃和整体垮塌。因此,在这一背景下,本文以某城市钢混叠合梁主桥为依托工程,提出了一种冲刷作用下桥梁损伤行为的流固耦合仿真建模方法。该方法实现了不同物理场间数据交互传输的可行性,并且重点考虑了水流、土壤、结构之间的多物理场耦合因素,旨在预测冲刷的进展对结构稳定性和安全性的影响。同时针对不同洪水流速、水深以及重车加载情况下对浅埋基础桥梁进行洪水损伤分析、安全评估及风险预测。本文的主要研究内容如下:(1)基于洪水冲刷与结构损伤有限元仿真技术研究。按照工程实例1:1还原建立了浅埋基础桥梁河床冲刷模型和洪水损伤模型,通过逆向工程技术,将前者模块中的散点数据转换为三维坐标矩阵,并生成曲面体导入至后者中,实现了边界条件的跨模块传递。同时引入汽车荷载施加的方法,按照规范要求设置了特定的汽车重量和位置。(2)基于对浅埋基础桥梁在不同水力条件下的河床冲刷特性进行研究。分析了不同水深和流速对桥梁周围河床首次脱空点冲刷深度的影响,以及极端水文条件下的墩周流场和冲刷坑发展的特点和规律。结果表明,在较高的水深和流速条件下,冲刷深度显著增加。在极端水文条件下,墩周流场特性尤其复杂,对基础造成了持续的侵蚀威胁,并且当冲刷时长为2580s时,基础发生首次脱空,最大冲刷深度为-2.51m。探讨了基础脱空面积随时间的变化情况,这是评估浅埋基础桥梁安全性的关键参数之一。(3)研究了浅埋基础桥梁在洪水冲刷及重车荷载作用下的结构损伤程度。分析了桥墩基础脱空、基础竖向位移、墩顶横向位移、混凝土结构失效以及墩柱内部钢筋的应力变化,同时也考察了支座接触面积减小的现象。仿真结果揭示,基础底部的脱空面积随时间显著增加,严重影响了桥梁的整体稳定性。这一发现为理解浅埋基础桥梁在极端洪水环境下的潜在失效模式提供了科学依据。

关键词：洪水冲刷浅埋基础桥梁流固耦合基础脱空重车加载

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