力学

跨海特大型桥梁风-浪耦合作用的随机振动分析

刘高，陈上有，刘天成，等

摘要：目的：跨海特大型桥梁面临着深水、强风、巨浪等恶劣海洋环境的严峻挑战。强风、巨浪之间具有强烈的耦合性，风-浪耦合场与桥梁结构之间的相互作用是复杂的气-液-固多物理场耦合作用问题。由于特大型桥梁结构刚度小、阻尼低，其对风-浪耦合场的动力荷载作用十分敏感，如何准确描述风-浪耦合场作用下桥梁结构的动力效应是特大型桥梁设计必须解决的技术难题。传统桥梁设计中通常只考虑单独风场的静动力效应和波浪场的静力效应，然后将计算结果进行叠加，不能够准确反映桥梁结构在风-浪耦合场作用下的动力受力性能。为此，本文考虑风场、波浪场之间的耦合相关性以及风-浪耦合场与桥梁结构之间的动力耦合效应，建立跨海特大型桥梁风-浪耦合作用的随机振动高效分析方法，为跨海特大型桥梁建设提供技术支撑。方法：考虑风-浪耦合场中风和波浪特征参数的相关性，建立了基于有限元法与边界元法联合分析的特大型桥梁风-浪耦合作用运动方程。其中，作用在桥梁大型深水基础上的波浪力采用势流理论和边界元法进行计算，并建立有限元与边界元单元组的映射关系，从而将边界单元组上的波浪力映射到结构有限单元上；作用在桥梁上部结构的气动力通过有限元法进行计算，包括由脉动风激发的非定常抖振力和由气弹相互作用产生的自激力。在此基础上，基于随机振动分析的高效算法—虚拟激励法，建立了桥梁风-浪耦合作用的随机振动高效分析方法，并编制了计算分析程序。在此基础上，以某跨海大桥主跨2×1500 m三塔斜拉桥方案的中塔最大双悬臂施工状态为工程背景，采用桥位处风-浪耦合场设计值参数，采用上述桥梁风-浪耦合作用的随机振动高效分析方法及其分析程序，计算桥梁结构在不同工况下的内力响应并进行对比分析。结果：（1）在波浪场单独作用下，海床位置处桥梁深水基础的侧向剪力标准差为90.6 MN，侧向弯矩标准差为3557.0 MN·m，波浪对桥梁深水基础的作用非常显著。（2）在正交风-浪耦合场（风偏角β和波向角θ均取0°）作用下，桥梁深水基础的内力响应比风场单独作用的内力响应显著增大。在水面及海床面处，风-浪耦合场作用与风场单独作用的侧向剪力标准差的比值分别为2.1和11.2。在海床面处，风-浪耦合场作用与风场单独作用的侧向弯矩标准差的比值为1.3。（3）在正交风-浪耦合场作用下，桥梁深水基础的内力峰因子介于风场单独作用和波浪场单独作用工况的结果之间，其中侧向剪力峰因子介于 3.0～3.2之间，侧向弯矩峰因子介于3.1～3.2之间。在桥梁设计中，桥梁深水基础的内力峰因子可取 3.2进行结构验算。（4）在斜向风-浪耦合场（风偏角β=5°、波向角θ=0°）作用下，桥梁深水基础的侧向内力响应及其峰因子均比正交风-浪耦合场作用下的结果略有增大。在水面处，基础侧向剪力标准差和侧向弯矩标准差分别增大了1.4%和0.1%，相应的峰因子分别增大了2.2%和0.1%。在海床面处，深水基础侧向剪力标准差和侧向弯矩标准差分别增大了0.1%和0.2%，相应的峰因子分别增大了0.1%和0.2%。深水基础侧向内力响应的峰因子仍介于3.0～3.2之间，在桥梁设计中仍可取 3.2进行结构验算。（5）在斜向风-浪耦合场作用下，主梁的侧向内力响应及其峰因子均比正交风-浪耦合场效应有一定幅度的增大。在塔根处，主梁的侧向剪力标准差和侧向弯矩标准差分别增大了5.5%和3.7%，相应的峰因子分别增大了3.8%和5.7%。主梁侧向内力响应的峰因子介于 2.9～3.5之间，在桥梁设计中可取3.5进行结构验算。结论：（1）在正交风-浪耦合场作用下，桥梁深水基础的内力响应比风场单独作用的内力响应显著增大。在海床面处，风-浪耦合场作用与风场单独作用下的深水基础侧向剪力标准差的比值为11.2，侧向弯矩标准差的比值为 1.3。风-浪耦合场作用下桥梁深水基础的内力峰因子介于风场单独作用和波浪场单独作用工况的结果之间，在桥梁设计中可取 3.2进行结构验算。（2）在斜向风-浪耦合场作用下，桥梁深水基础和主梁的侧向内力响应及其峰因子均比正交风-浪耦合场效应略有增大。在桥梁设计中，桥梁深水基础和主梁的侧向内力响应峰因子可分别取3.2和3.5进行结构验算。（3）风-浪耦合作用对跨海特大型桥梁的的内力响应影响巨大。在桥梁设计中，必须详细研究风-浪耦合场特征参数的各种组合。在此基础上，分析风-浪耦合作用下桥梁结构的随机动力响应，并根据最不利工况分析结果对结构进行验算。

来源出版物：应用数学和力学, 2017, 38(1)： 75-89

入选年份：2017