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桥梁工程欣赏论文5900字_桥梁工程欣赏毕业论文范文模板

发布时间:2021-02-05 10:11

  导读:想要撰写桥梁工程欣赏论文5900字,你做好相关的准备工作了吗?相信不管是撰写什么类型的论文,大家应该都是会去大量的参考相关的文献资料的吧,本文分类为桥梁工程论文,下面是小编为大家整理的几篇桥梁工程欣赏论文5900字范文供大家参考。


  桥梁工程欣赏论文5900字(一):跨河桥梁工程防洪评价关键技术框架与应用论文


  摘要:如何减免河道管理范围内桥梁工程建设对河道防洪的影响,并保证建筑物自身安全是防洪评价工作的重点。通过总结跨河桥梁防洪评价中易出现的问题,提出了一套适合跨河桥梁防洪评价报告编制的结构框架。为进一步定性和定量刻画防洪评价关键技术,从防洪标准、水文成果、河势演变、桥梁布置、壅水影响、桥梁安全、桥下冲刷、三者影响和补救措施等10方面提出了相应的评价内容、评价指标、评价要求、评价方法和评价依据,并将其应用于洮河流域某桥梁防洪评价工作。所提关键技术要点对河道管理范围内跨河桥梁工程的防洪影响评价工作可提供一定的技术参考,同时对指导跨河桥梁工程设计方案优化和项目主管部门审批决策具有重要意义。


  关键词:防洪评价;跨河桥梁;河道管理


  0引言


  洪水灾害是我国最频繁的自然灾害之一。“自然-社会”二元水循环模式下,人类活动成为洪水致灾的主要因素。随着经济社会的发展,越来越多的非防洪建设项目在河道管理范围内修建,人水争地导致行洪断面压缩束窄,蓄滞洪区萎缩,流态改变,这不仅影响工程本身安全,而且可能损害河道管理范围内已建成的防洪工程体系,显然与时下“洪水管理”的理念相违背[1,2]。为避免或降低建设项目对防洪的影响和洪水对建设项目的影响,《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》要求“建设单位编制立项文件时必须按照河道管理权限,向河道主管机关提出申请,并提供防洪评价报告,经河道主管机关审查同意后,方可开工建设”。因此,为了规范河道管理范围(包括蓄洪区和滞洪区)内所有涉水项目防洪评价报告编制工作,2004年水利部制定了《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则(试行)》(办建管[2004]109号)[3];为进一步适应洪泛区、蓄滞洪区内非防洪建设项目洪水影响评价及其报告编制工作,2014年水利部制定了《洪水影响评价报告编制导则》(SL520-2014)。


  近年来随着我国基础建设能力的增强和物流运输业的持续发展,跨河桥梁逐渐成为公路渡河的重要建筑物。然而国内因洪水发生的交通断道和安全事故时有报道,因此通过建立完善的防洪评价制度,研究桥梁建设对河道行洪的影响以及河道水流对桥梁安全的影响,在前期设计阶段提出工程建设的不利影响并及时提出补救措施,对提高跨河桥梁工程项目审批决策水平,防治水毁水灾具有重要意义[4]。


  本文针对跨河桥梁工程防洪评价的特点,提出防洪评价报告编写的框架结构,对工作内容、评价指标、评价要求、评价方法和技术依据进行了梳理,并将关键技术要点应用于洮河流域某跨河桥梁防洪评价报告的编写,期望对河道管理范围内跨河桥梁的防洪影响评价工作提供技术参考[5]。


  1跨河桥梁防洪评价技术要点


  根据《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则(试行)》,跨河桥梁防洪评价重点可概括为“十个是否”[6]:①是否影响桥梁所在河段综合规划、防洪规划、治导线规划和河道整治规划的实施;②是否符合防洪防凌标准和有关技术管理要求;③是否妨碍河道泄洪能力;④是否对河势稳定、水流形态和冲淤变化产生影响;⑤是否对堤防、护岸和其他涉水工程及设施产生影响;⑥是否妨碍防汛抢险;⑦是否符合建设项目抵御洪水的标准与措施;⑧是否影响第三人合法水事权益;⑨是否符合其他有关规定和协议商定的内容;⑩桥梁工程本身在洪水影响下是否安全。为了提高防洪评价报告编制的质量,本次针对上述十个方面内容提出报告编写的一般内容框架结构,并总结了报告中常见的技术问题[7,8]。跨河桥梁防洪评价报告编制结构框架与常见问题见表1。


  为了将以上内容框架进一步定性或者定量刻画,本次从跨河桥梁防洪标准、水文成果、河势演变、桥梁布置、壅水影响、桥梁安全、桥下冲刷、三者影响和补救措施等10方面提出重点评价内容、评价指标、评价要求、评价方法和评价依据[9]。跨河桥梁防洪评价的技术要点见表2。


  2防洪评价计算实例研究


  2.1工程概况


  某桥梁建设项目由北向南正交跨越洮河,北面桥台通过引道与公路X420相连,南侧桥台与公路S306相接,桥梁全长107.08m,共5跨,桥梁整体采用“上部结构5~20m预应力简支小箱梁+下部结构桩柱式墩台”结构形式。直接受洪水影响的桥墩为4座(桥墩编号1~4号),4座涉水桥墩跨径均为20m,墩型均为圆柱形桥墩,每一处桥墩由上下游两个直径为1.3m桥墩组成。


  地质勘查的最大揭露深度30.20m,根据钻孔揭露,勘察场地勘探深度范围内地层自上而下依次为杂填土、卵石、砂岩。砂卵砾石的天然密度2.05g/cm3,相对密度0.43,卵石含量73.9%,砂含量21.7%;中数粒径d50=23.57mm,平均粒径20.10mm;不均匀系数Cu=64.09,曲率系数Cc=7.04。工程所在河段平面布置见图1。


  桥位断面两侧现状无堤防工程以及其他引水渠、水文测验等设施。桥梁下游左岸300m处规划堤防工程防护等级为Ⅳ等,洪水标准为P=10%(重现期),防洪工程级别5级,护堤采用贴坡式护岸;上游有一水电站枢纽,采用明渠引水发电,厂房位于桥位上游2.3km。右岸上游20m处有一处混凝土排水涵洞,底板高程2371.48m,该涵洞自南向北横穿S306道,主要排泄S306道南侧边沟农业灌溉排水。


  2.2水文分析


  按照《防洪标准》(GB50201-2014)和《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)规定[10],本桥为一级公路,桥梁级别为大桥,工程设计防洪标准为百年一遇(重现期)。该桥梁设计断面邻近无水文站点,复核利用下式推求设计站洪水。


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  (1)


  式中:Qm设、Qm参分别为设计站和参证站洪峰流量,m3/s;F设、F参分别为设计站和参证站集水面积,km2;n为指数,一般为2/3,变化范围在0.5~0.8之间。


  桥址上游2.3km处水电站枢纽控制流域面积13552km2,由于桥址至水电站枢纽间未汇入较大支流,桥址断面设计控制面积与电站一致采用F=13552km2。利用下游岷县水文站作为参证站,利用长系列年最大洪峰流量并考虑加入1904年特大洪水,推求桥址断面百年一遇设计洪峰流量1917m3/s,与上下游已批复水电站设计洪水资料比较接近。在桥址断面上下游选用两个水文勘验断面,利用大断面实测资料,率正河道糙率、河底比降、河床高程、河道断面等参数,利用曼宁公式和能量方程计算确定百年一遇设计洪水位2368.10m。为进一步验证水力计算成果的合理性,在桥址中心设计断面上下游120m处各选择两个验证断面,通过能量方程法分析上下游断面设计洪水位衔接与水面比降基本一致。


  2.3河道演变


  根据桥位处河道1984-2014年的谷歌遥感地图分析,河道近30年不存在明显摆动,桥梁跨越河段阶地和滩地较发育,河道主流相对稳定。根据相关研究[11],洮河流域水沙关系具有同步性,流量与输沙率的变化趋势基本一致,河流泥沙主要来源于强降雨产生的水土流失。其次,洮河下游梯级电站开发,特别是九甸峡水电站枢纽工程建成后,近10年拦截了大量泥沙,洮河下游输沙量有减少趋势。但本工程位于九甸峡枢纽上游,河道经过洪水多次冲刷、淤积,仍然处于自然状态,冲刷淤积基本趋向平衡,评价河段在今后很长一段时间内也不会出现持续的淤积或冲刷,未来河势将趋于稳定。河床演变理论提出河道断面形态和纵剖面与流量因素之间存在某种定量关系,采用《河床演变学》和《桥渡水文》中推荐的方法定量评价河道纵横向稳定性[12],其成果见表3。


  通过分析可知河道纵向稳定性较好,横向稳定性较差,河道变形以侧蚀为主。建议在桥梁断面上下游200m范围内修建堤防工程,其治导线宽度下限不小于稳定河宽,上限以历史最大洪水淹没外包线确定。


  2.4桥墩附近流场分析


  本次桥墩附近流场结构分析应用大型有限元ANSYSICEMCFD技术处理,建模时水流区域用长方体模拟,桥墩用圆柱体模拟,涉水桥墩为1~4号桥墩,1号桥墩和4号桥墩布置于距离河岸4m处,桥墩间距20m,顺水流方向6m,桥墩直径1.30m,初始流速为断面平均流速v0=4.46m/s。建模时对桥墩周围和水体交界面附近网格进行加密,以保证计算精度。物理模型和计算网格划分如图2。采用大涡理论对桥墩附近二维流场进行了模拟,得出了桥墩附近流场分布的特征和流速变化,模拟结果见图3~图5。


  建桥后由于桥墩压缩河道,其断面压缩比约5.69%,桥下平均流速增加为4.60m/s。流向桥墩的水流受到墩身的影响,桥墩周围的水流结构较自然情况发生变化明显。一部分水流在桥墩正前方受阻后流速减到最小为0.26m/s,另一部分绕墩流过,流速在桥墩两侧60°~70°范围达到最大(6.05m/s)。在桥墩后方,由于负压的作用形成涡街,并一直延伸到桥墩后方一定距离。床面静止的泥沙在墩前涌波和墩后漩涡共同作用下将产生随机运动状态,桥墩下游两侧漩涡汇集,从而形成沙脊。由于桥墩迎水面两侧附近绕流流速最大,“束水攻沙”的作用最强烈,当此处流速达到泥沙起动速度时,将导致桥墩局部产生冲刷[13,14]。


  2.5壅水计算与桥梁高程复核


  桥梁修建后桥墩侵占自然河道,桥梁墩台对过水面积存在一定的压缩,天然水流的流态受到挤压破坏,桥址处形成整体壅水。壅水高度不仅决定桥梁的高度,而且还会涉及两岸堤防工程的高度及安全。根据桥墩大小,计算每处桥墩的阻水宽度为1.3m,总阻水宽度为5.2m。建桥前桥位处百年一遇的过水面积为429.7m2,建桥后阻水面积为24.44m2,断面压缩率为5.69%。本次计算百年一遇洪水条件下桥位处最大壅水高度为0.288m,壅水长度180m。


  洮河为不通航河流,不通航河段桥梁底部最低高程用下式确定:


  Hmin=Hs+∑Δh+Δhj


  (2)


  式中:Hmin为按设计洪水位计算桥梁底部最低高程,m;Hs为设计洪水位,取2368.10m;∑Δh为考虑壅水、浪高等因素的总和,计算取0.29m;Δhj为桥下净空安全值,考虑床面淤积、漂浮物高度等影响,本次复核取1.50m。


  按设计洪水位计算桥梁底部最低高程2370.178m,桥梁设计下弦杆高程2370.500m(4号桥墩),桥梁高程设计满足行洪要求,且有0.322m的富余高度。


  2.6桥下冲刷计算


  为了保证桥梁的安全和顺利宣泄洪水,不但要有足够的桥梁长度和桥梁高度,还需要墩台基础有足够的埋置深度,以避免桥梁受河水冲刷而产生安全问题。桥梁墩台冲刷,除河床自然演变冲刷外,还有桥孔压缩水流和墩台阻水所引起的冲刷变形。桥梁墩台冲刷深度包括河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷三部分。


  考虑到河床演变是十分复杂的自然过程,且桥位河段河势较稳定,经治理后横向变形不大,河床变形多表现为单向切蚀,且速度相当缓慢,流速沿程分布比较均匀,流态比较平稳,桥位附近没有出现集中冲刷地段。因此,河床自然演变冲刷可忽略不计。


  一般冲刷按照《公路工程水文勘测设计规范》(JTGC30-2015)[15]推荐的“64-1”修正式和“64-2”简化式分别计算,以最不利因素考虑,选取较大值作为计算结果。百年一遇洪水条件下桥墩最大一般冲刷深度6.29m,一般冲刷高程2361.81m,经论证涉水桥墩桩基底底系梁高程埋置深度不够,建议将底系梁埋设于一般冲刷线以下,以满足冲刷要求。


  局部冲刷根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTGC30-2015)推荐的“65-1”修正式和“65-2”式分别计算,考虑桥位处河道土质均为非黏性土,百年一遇洪水条件下,桥墩局部冲刷深度采用2.33m。


  确定基础埋深时,取自然冲刷、一般冲刷和局部冲刷的最不利组合作为基础埋深设计的依据,同时要考虑河道采砂导致河床大幅下降的不利影响。通过以上分析可得最不利冲刷组合下断面总冲刷深度8.62m(水面起算),理论计算最低冲刷线高程2359.48m,考虑支墩基底埋深2.5m安全深度,涉河桥墩理论计算桩基埋深安全冲止高程为2356.98m,桥墩桩基埋深满足要求。


  经防洪评价论证和建议,设计单位从桥梁高程、桥墩底系梁高程、引道布置、桥墩基底埋深及桥梁上下游河段断面防护等方面均做了优化调整,达到了防洪评价的目的。桥梁防洪评价综合断面见图6。


  2.7对第三者影响分析


  桥梁建成后最大壅水高度0.288m,壅水长度180.00m,考虑到上游电站距离桥位断面2.3km,桥墩壅水对上游水电站尾水不会产生顶托作用,电站运行不会受到影响。


  遭遇百年一遇设计洪水时,桥址右岸上游20m涵洞处洪水位2368.74m(考虑壅高),小于涵洞底板高程2371.48m,故不会对排水涵洞产生影响。除该排水涵洞外,拟建桥位壅水范围内无其他水文测站、水资源监测网点以及供水、灌溉等建筑物,不涉及对其他水工程安全运行影响问题。


  复核桥址下游300m左岸规划护堤局部冲刷深度(从深泓线算起)为1.06m,根据设计文件本段护堤基底高程按深泓线以下2.50m埋置,护岸基底埋深满足规范及安全要求。桥梁建设不会影响下游左岸堤防的规划建设与工程安全。


  3结语


  防洪评价专题报告是项目立项审批时建设单位必须提供的材料之一,也是设计前期进行项目方案论证、优化、补救的重要环节,涉及河道河势稳定、行洪安全及桥梁安全运行、工程投资等内容,是保证河道防洪体系、涉水设施及桥梁安全运行的关键。因此,防洪评价工作的地位举足轻重。


  近年来洪水灾害事件影响下,为保证涉水工程防洪安全,行业内出现一味提高防洪标准的通病,造成工程规模和投资加大,未能通过防洪评价从工程方案自身优化挖掘。其次,防洪评价工作往往滞后开展,不能及时在可行性研究报告或初步设计阶段提出优化方案和补救措施,导致就项目审批而论证,未达到防洪评价专题报告的真正目的和意义。


  利用本次提出的防洪评价技术要点,通过在洮河流域某桥梁防洪评价中进行实例研究,在完善桥梁设计方案、施工导流和施工组织设计以及桥址所在河段边坡加固等方面均起到了积极意义。本文所提出的结构框架和技术要点具有一定的实用性,期望能为跨河桥梁工程防洪评价报告编制提供技术参考,也能为项目的科学决策提供支持。


  桥梁工程欣赏毕业论文范文模板(二):海洋桥梁工程抗风安全的难题及其对策思考论文


  摘要:与近海、内陆大跨桥梁工程相比,未来建设的深水海洋桥梁工程面临的风场环境将更加复杂,其抗风安全问题也必然更加严峻。本文首先分析了大跨度海洋桥梁工程的抗风研究现状,然后从海洋桥梁场址风场特性、抗风设计理论、风振控制技术和行车安全防风技术四方面,重点梳理了海洋桥梁工程抗风安全面临的重点难点问题及技术发展方向。在此基础上,探讨了海洋桥梁工程抗风的安全保障对策。


  关键词:海洋桥梁工程;抗风安全;强台风;气动控制技术


  一、前言


  随着经济社会的快速发展、互联互通需求的剧增,人类跨越海湾海峡阻隔的现实需求逐步增多,桥梁工程不断从内陆向近海延伸[1~3]。随着东海大桥、杭州湾大桥、港珠澳大桥等跨海桥梁相继建成以及平潭海峡大桥等跨海桥梁的建设,近海桥梁建造技术取得了举世瞩目的成就。


  未来随着国家公路、铁路网规划建设的不断发展,以及国家“海洋强国”战略、“交通强国”战略、“一带一路”倡议等一系列重大战略决策的持续推进,我国正规划琼州海峡、渤海湾和中国台湾海峡等跨海通道,“一带一路”沿线国家也在规划建设如巽达(印度尼西亚)、里海(俄罗斯至伊朗)等深水海洋桥梁。然而,与近海、内陆大跨桥梁工程相比,未来海洋桥梁工程将面临复杂严酷的风场环境作用[4,5]。我国是世界上少数几个受风灾严重影响的国家之一(见图1),且从已有的研究成果和工程实践来看[6~8],风及其作用是未来海洋桥梁工程设计、施工、运营的控制性因素。因此,保障海洋桥梁在施工、运营阶段的抗风安全已成为广大科技工作者面临的严峻挑战和重大课题。


  二、海洋桥梁工程抗风研究现状


  (一)海洋桥梁场址风场特性的研究现状


  我国现行的桥梁抗风设计方法和规范都是基于良态气候风场模式,其风参数(阵风因子、风速与紊流度剖面、积分尺度、脉动风谱函数)主要是针对内陆地区的季风气候特征[9]。然而,近年来的现场实测表明,我国东临的西北太平洋地区是全球台风发生最多的地区(约占全球台风的36%,年均约35个,如图2所示),其风环境特性不同于良态气候模式,具有风剖面指数更大、阵风参数远大于现行规范规定值、地表粗糙度增大明显、风速非平稳特性显著等特点。另一方面,由于台风路径的强随机性和台风风场的强不均匀性,使得对台风近地层风况的准确、精细实测十分困难,对各类地形地表的台风特性,尤其是对湍流风特性的认识还很初步。此外,现有的近海及海上气象观测平台数量少、数据时距长、精度差,尚缺乏海洋桥梁桥址范围内的局部气象综合观测预报平台,无法对未来深海桥梁的建造及运营提供有力支撑。


  国内外学者在台风风场模拟方面开展了大量的研究,建立了许多台风风场模型,以获取较准确的台风极值风速,如Batts模型[10]、Vickery模型[11]、YanMeng模型[12]、CE(USArmyCorpsofEngineers)模型[13]等。虽然上述台风随机数值模拟模型比较成熟,能够有效评估台风风场的极值风速,但是其对我国沿海地区台风风场的适用性还有待研究检验。上述台风模型采用简化的动力方程求解台风风场,未考虑复杂的大气物理过程及下垫面的影响,模拟的近地层台风风场结构及分布与实际情况相差较大。为获得较准确的近地风场信息,国内外学者[14]基于天气研究和预测高级研究(WRFARW)模式,采用三维数值模拟方法对台风风场进行研究,获得了较精确的台风平均风场结构,然而其数据分辨率有限,且不能实现对脉动风场特性的有效模拟,仍无法完全满足海洋大跨桥梁设计、施工需求。


  (二)风对大跨桥梁结构作用的研究现状


  针对风对桥梁结构的作用,现有的抗风理论与方法主要是将其分为平均风来流引起的静风力、脉动风来流引起的抖振力、断面旋涡脱落引起的涡激力和结构运动引起的自激力,并对它们分别建立理论计算模型、确定试验识别参数、分析结构灾变行为。


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  图2全球各地区台风分布情况


  风对桥梁结构的静力效应是人类最早认识的问题,其对结构安全可能产生的问题主要是静风失稳问题。现有的迭代分析方法,可较准确地获得其在均匀流下静风失稳临界风速,然而对于台风等强湍流来流下海洋桥梁工程的静风稳定性还缺乏深入研究。


  风的动力作用激发桥梁结构振动,振动结构反过来改变了流场运动的边界条件,从而影响流场和气动力,形成了风与结构的相互作用机制。当结构振动对空气力的影响较小时,空气的动力作用可以视为一种强迫振动荷载,主要导致桥梁结构的强迫振动——随机抖振;而当结构振动对空气力的影响较大时,同振动结构形成一个具有相互作用反馈机制的动力系统的空气力,其主要表现为一种自激力,导致桥梁结构的自激振动——颤振或驰振。近年来,随着针对这些作用力的各种气动力模型,特别是钝体桥梁断面的气动力参数(包气动力系数、颤振导数和气动导纳)风洞试验识别理论和技术方法的建立和发展,有效保证了良态风作用下大跨度桥梁的抗风稳定性、安全性和舒适性。然而,台风风场特性与常见良态风存在着很大差异,对桥梁结构的作用机理也不明晰;而且未来海洋桥梁跨度更大、结构体系更加复杂、刚度更加轻柔、阻尼更小、三维和非线性效应更加显著,现有桥梁抗风分析理论的精细化程度和适用范围均不能满足海洋桥梁的建造需求。


  还应指出的是,目前的抗风设计规范对涡振、颤振等桥梁风致振动的评价标准单一,不适用于评价超大跨度海洋桥梁的抗风性能,亟待开展大量的基础研究工作。


  (三)风振控制技术的研究现状


  为确保大跨桥梁抗风安全性和舒适性,需对其风致振动进行控制,主要措施包括结构措施、气动措施和机械措施。


  在结构控制措施方面,利用空间缆索系统和设置辅助索等方式提高桥梁的抗风性能,但采用空间缆索体系存在施工困难、施工过程受力复杂等问题,设置辅助索会破坏原有索面的景观、也存在设计复杂、安装困难等缺点;采用组合结构(见图3)[15]虽然从理论上能够满足未来超大跨桥梁的建设需求,但面临着结构受力复杂、造价昂贵、施工工艺复杂等问题,且缺乏相关建造经验,施工过程中的关键抗风问题也不明确。


  气动控制措施是目前采用最多的一种风振控制措施,通过改变主梁、桥塔、拉索等结构的气动外形或者在结构上附加稳定板、导流板等气动设施来改变其气动布局,从而达到提高气动性能的目的。但是未来海上大跨度桥梁面临的风速范围更广,需能同时控制多种风致振动的措施,然而相关研究却很少。


  现有的机械措施主要采用被动、半主动和主动等三种方式实现对各种风致振动的控制,如调谐质量阻尼器(TMD)技术已经广泛用于桥塔、主梁等风振控制。同时黏性剪切阻尼器(VSD)及磁流变阻尼器(MR)技术控制拉索振动。相关研究表明,主动气动控制技术(见图4)在主梁的风振控制方面更加合理高效[16,17],但目前多数处于研究阶段,尚无相关应用案例。


  未来的桥梁工程步入了建设跨海连岛工程的新时期,施加风振控制措施的可能性和必要性更强。亟需发展新的、更加高效的抗风结构体系和新型风振控制技术。


  (四)行车安全的研究现状


  与内陆桥梁相比,海洋桥梁上的行车安全问题更加突出。目前主要防风措施为设置风障(见图5)[18],在箱梁内部设置车道;主要的防风运营管理方法是结合桥位气象观测施行灾害天气下的车辆限速、限行的交通管控措施。相关成果结合特定的桥梁形式初步揭示了风对桥面通行车辆安全性和舒适性的影响规律,建立了风致桥面行车安全与舒适性评价的基本方法,风屏障工程和交通运营管控措施的应用,在一定程度上提升了强风区大型桥梁的风天运营服务水平。然而,上述防风技术及管理方法均是针对内陆或近海桥梁的行车安全问题,有关深海桥梁工程行车安全的防风措施研究还较少。


  三、海洋桥梁工程抗风的重点难点问题


  大跨桥梁抗风研究已经取得了长足的进步,现行抗风计算理论和规范、控制措施能满足良态风场或内陆近海桥梁的抗风需求,但就未来大跨度海洋桥梁设计、施工、运营等而言,其重点难点问题主要体现在以下四个方面。


  (一)海洋桥梁场址风场特性


  海洋桥梁面临的风场环境更加复杂,主要表现在两个方面:一方面,相较于近海和内陆桥梁,海洋桥梁遭遇台风将更加频繁,但台风极值风速、平均风速剖面、近地湍流特性等关键风参数明显不同于一般良态气候的强风,且目前缺乏对描述台风风场合理的数学模型;另一方面,海上桥梁常遇风的风速更高、风向多变、非平稳特性显著、局部气候特性明显,而目前观测平台数量有限、数据精度差,相关研究还很少,距离实际工程应用仍存在较大差距。


  海洋桥梁场址风场研究涉及气象学、流体力学、统计学等多种学科,面临的问题复杂,台风风场分布结构、场址局部气候特性等关键信息都不明晰,缺乏面向工程建造、运营的综合气象观测预报平台。因此,针对海洋桥梁场址风场特性,还需进行大量的研究工作。


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  图5嘉绍大桥风障


  (二)特大跨度海洋桥梁抗风设计理论与适用规范


  由于海洋桥梁桥址风场的产生机理、时空特性均与常见季风等良态风场存在着很大差异,对桥梁结构的作用机理也不清晰,因此,基于均匀流场和常规紊流场中试验建立的气动力模型和抗风设计方法将无法说明台风作用下特大跨度海洋桥梁的气动行为,亟待针对台风环境下主梁气动参数的影响因素进行详细研究,进而确定合理的气动参数模型,提高其精度和适用范围。


  建立海洋大跨桥梁抗风性能的科学评价标准是一个非常复杂的问题,尚需进行大量的研究工作。现行规范中的抗风安全评估主要是针对良态风场中的大跨度桥梁,标准单一,无法直接用于评价海洋大跨桥梁防风性能。而大跨度海洋桥梁在交通网络中所处的地位重要、所处风场环境复杂,因此,为确保大跨度海洋桥梁的安全性和舒适性,需综合考量各种因素,确定科学、合理的评价标准。


  (三)面向结构安全和行车舒适性的桥梁风振控制技术


  随着未来桥梁建设逐步向海上推进,对桥梁的跨越能力要求更高。从结构抗风的角度来讲,既有的桥梁结构形式和施工方法将面临新的挑战,传统的风致控制方法也存在诸多局限。采用空间缆索体系、新型组合结构等结构措施虽能在一定程度上提高桥梁的结构刚度、改善抗风能力,但结构受力复杂、传力机制不明,施工过程中存在多次体系转换,工艺复杂,施工过程中的关键抗风问题有待明确。因此,从结构抗风的角度来讲,既有的桥梁结构形式和施工方法将面临新的挑战,传统的风致控制方法也存在诸多局限,亟需发展新的、更加高效的风振控制措施。


  未来海上桥梁面临的常遇风速高、风速范围广,大跨桥梁发生多种风振的概率大,各种被动气动措施之间兼容性差,需要提出可同时控制多种风致振动问题的优化气动措施。


  主动气动控制技术在主梁的风振控制方面更加合理高效,是未来超大跨桥梁风振控制的发展方向,但面临着作用机理不完全明确、可靠性差、能源供给依赖度高等问题。


  (四)面向行车安全和通行能力的防风技术


  未来,海上桥梁工程的服役环境更加恶劣。海面风力强、大风天气频发,导致的行车安全事故屡有发生,造成了比较严重的经济损失和社会影响。在强风等气候条件下,提出既不显著影响桥梁结构抗风性能也能够保障行车安全的防风安全措施是研究的难点之一。


  建立完善的风气象预警系统,并结合结构形式、车型、路面条件形成一套完善、有效的智能交通运行管理系统,最终增强海上桥梁的通行能力是未来海上桥梁面临的又一难点。


  四、海洋桥梁工程抗风的技术发展方向及策略


  为了满足未来跨海桥梁建设的需求,抗风研究有必要开展如下四个方面的工作。


  (一)开展海洋桥梁场址风场特性的研究


  1.开展面向工程的台风小尺度特性实测研究


  近年来,我国台风实测研究发展迅速,获得了大量的大、中尺度气象数据,但海洋桥梁工程建造所需的小尺度数据仍很匮乏,故应开展面向工程的台风小尺度特性实测研究,以获取台风平均和湍流风场的时空特性。


  2.发展台风小尺度数值模拟技术


  目前,基于天气预报模式(WRF)中尺度数值模式,利用嵌套技术,可获得较准确的平均风场数据,但分辨率较低,与实际工程需求还相差较大,因此,可在现有研究的基础上,采用计算流体动力学技术,建立台风小尺度的数值模型,以获取不同尺度下的风速时程、湍流特性和风剖面特征等关键信息。


  (二)发展适用于特大跨度海洋桥梁的抗风设计理论和规范


  1.建立适用特大跨度海洋桥梁的抗风设计理论


  针对海洋风场条件和特大跨度海洋桥梁自身结构特性,明确台风对特大跨桥梁的作用机理,发展更符合实际的三维台风风场模型,提出适用于特大跨度海洋桥梁的静风稳定、涡振、颤振及抖振等抗风分析方法。


  2.提出适用特大跨度海洋桥梁的抗风性能评价标准


  特大跨度海洋桥梁的抗风性能评价标准是海洋桥梁抗风性能评估的关键所在,其科学决策涉及面广、过程十分复杂,亟待开展大量基础性研究工作。


  (三)开展面向结构安全和行车舒适性的桥梁风振控制技术研究


  1.发展满足海洋桥梁抗风安全和行车舒适性的新型结构体系


  随着未来桥梁建设逐步向海上推进,传统的桥梁结构体系无法满足抗风需求,需要在桥梁的结构类型、主梁形式、缆索体系等方面开展研究,提出既能满足海洋桥梁抗风安全又可兼顾行车舒适性的新型结构体系。


  2.研发适用于海上桥梁建造的新型施工技术


  海上大风天气多、风力强,桥梁的施工环境恶劣,传统的大跨度桥梁施工方法将面临新的挑战,应明确施工过程中存在的关键抗风问题,提出适用于海上桥梁的施工工艺和组织管理方法。


  3.发展主动气动控制技术


  主动控制技术是未来超大跨桥梁风振控制的发展方向,在理论研究方面已取得了一定的进展。从未来工程应用的角度,需进一步明确作用机理、提高实际应用的可靠性、解决制振过程中的能源供给问题等。


  (四)开展面向行车安全和通行能力的防风技术研究


  1.研发兼顾结构风振控制和行车安全的新型防风措施


  现有桥梁的防风安全措施往往起不到提高结构抗风性能的作用,有时甚至会使其结构抗风性能恶化。在海上强风等气候条件下,亟需提出既不显著影响桥梁结构抗风性能又能够保障行车安全的新型防风措施。


  2.建立完善的风天智能交通运行管理系统


  针对海洋桥梁工程面临的气候环境特点,建立完善的气候预警系统,并结合结构形式、车型和路面条件形成一套完善、有效的智能交通运行管理系统,提高海上桥梁的通行能力。


  五、结语


  随着我国桥梁建设从内陆走向海洋,越来越多的海洋桥梁在我国沿海建成。工程师们大胆创新,大胆实践,严谨建设,在我国海洋桥梁建设史上谱写了辉煌的篇章。然而,海洋气候条件恶化、极端气象频繁,现有的桥梁抗风设计理论及方法尚无法完全满足海洋桥梁建设需要,保障海洋桥梁在施工、运营阶段的抗风安全性及舒适性仍是面临的严峻挑战。


  应针对海洋复杂环境条件,开展海洋桥梁场址风场特性研究,研究海洋桥梁工程在强(台)风等极端作用下的致灾机理,建立海洋桥梁工程抗风安全设计方法,研究面向结构安全和行车舒适性的桥梁风振控制技术,提出面向行车安全和通行能力的防风技术,形成海洋桥梁工程抗风的设计规范,完善海洋桥梁工程抗风安全预警系统和运营管理策略。

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