一 研究意义 随着桥梁建设逐步由陆地向海洋和深水环境推进,水动力作用越来越成为制约跨海桥梁设计的关键难题之一。由群桩和承台组成的高桩承台基础,因具备地质适应性好、造价低、施工便捷、风险小等特点,广泛应用于跨海及深水桥梁工程。因此,对桥梁高桩承台基础的水动力研究开展综述、并梳理和总结其中的难点问题对于设计理论发展具有重要的现实意义和实用价值。基于前人的研究成果,对过去20年有关桥梁高桩承台水动力作用的研究论文进行了系统分析。首先,通过时序分析和关键词共现性分析,探索了高桩承台水动力作用研究的发展历程;重点综述了以下四个桥梁高桩承台的水动力研究热点:①波、流及其相互作用、②水动力荷载计算方法、③流固耦合振动和④深水高桩承台基础桥梁结构响应;最后根据主要难点和技术挑战,提出桥梁高桩承台基础水动力作用的未来研究发展趋势。
一
研究意义
随着桥梁建设逐步由陆地向海洋和深水环境推进,水动力作用越来越成为制约跨海桥梁设计的关键难题之一。由群桩和承台组成的高桩承台基础,因具备地质适应性好、造价低、施工便捷、风险小等特点,广泛应用于跨海及深水桥梁工程。因此,对桥梁高桩承台基础的水动力研究开展综述、并梳理和总结其中的难点问题对于设计理论发展具有重要的现实意义和实用价值。基于前人的研究成果,对过去20年有关桥梁高桩承台水动力作用的研究论文进行了系统分析。首先,通过时序分析和关键词共现性分析,探索了高桩承台水动力作用研究的发展历程;重点综述了以下四个桥梁高桩承台的水动力研究热点:①波、流及其相互作用、②水动力荷载计算方法、③流固耦合振动和④深水高桩承台基础桥梁结构响应;最后根据主要难点和技术挑战,提出桥梁高桩承台基础水动力作用的未来研究发展趋势。
二
综述内容
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跨海桥梁高桩承台基础水动力研究文献分析
经过过去数十年的发展,我国跨海桥梁的建设,完成了从无到有,再到领先世界的跨越。根据作者对过去一百年全桥跨海桥梁建设的统计(图1所示),截至2020年10月,在长度超过5km的跨海桥梁中,我国约占全球总量的47.9%。在所有被统计的桥梁中,采用桩基础的桥梁占93%,这其中85%采用了高桩承台基础。
图1 跨海桥梁数目统计图
图2 跨海桥梁桩基础和沉井基础应用比例
图3 跨海桥梁高桩和低桩基础应用比例
不断增长的跨海桥梁建设需求,极大地促进了高桩承台水动力作用研究的发展。作者收集整理了2000年1月1日至今发表在Web of Science和中国知网上的桥梁高桩承台水动力作用研究成果,采用信息可视化工具CiteSpace软件开展时序分析,由图2可知,近二十年来,高桩承台水动力作用相关论文的年发表数量总体呈上升趋势,并在2010年达到小高峰,随后发文量逐年增加,截止论文发表时,年发文已逼近50篇大关。
根据研究内容随时间的发展分析,大致可分为三个发展阶段:2000~2008年为研究起步阶段,波、流荷载和群桩效应是主要的研究内容;2008~2012年为快速发展阶段,随着水动力荷载数值模拟和波流共同作用研究的深入,在2010年形成了第一个研究高峰;2012年后,流固耦合、水动力下的桥梁结构响应分析等新热点逐步涌现,水动力研究逐渐被更多研究和设计人员熟悉。
图4 论文年增长量统计图
论文的关键词是文章主要研究内容的体现。采用CiteSpace软件开展关键词共现性分析,列出了高桩承台水动力作用研究领域的主要研究动态和研究热点方向。表1罗列了高频关键词和高中心度关键词的统计结果。综合考量关键词聚类分析结果和表1信息,可以总结归纳出跨海桥梁高桩承台基础水动力作用研究的四大热点问题:波、流及其相互作用,水动力荷载计算方法,流固耦合效应,高桩承台基础桥梁的结构响应分析。
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跨海桥梁高桩承台水动力作用研究进展
1)波、流及其相互作用
跨海桥梁处于复杂多变的海洋环境中,不可避免地遭受各种恶劣自然条件的联合作用。其中,波、流对跨海桥梁的联合作用是最为常见的现象之一。波、流之间存在明显的相互作用,是一个复杂的非线性问题。众多国内外学者从波流耦合场的流场特性和水流对波要素的影响等角度对波流相互作用的机理进行了大量的研究。研究结果表明,波流同向时,波幅减小,波长变长;波流反向时,波幅增大,波长变短。波浪传播到均匀流中时,只是波要素发生改变,波浪的性质不变,静水中的波浪理论在均匀流中仍然适用。波浪和均匀流共同作用时的水平速度场可以由原始稳定流的流速和流中波浪水质点的水平速度场叠加而成。同时,基于研究成果探索并建立了行之有效的波流耦合数值模拟方法。
图6 波流耦合数值模拟方法
2)水动力荷载计算方法
高桩承台基础水动力荷载的计算涉及水流力、波浪力和波流力三个方面。其中,群桩水动力荷载的计算和大尺度结构波流荷载的计算是最为棘手的问题。群桩的受力与单桩有很大区别,各桩之间存在相互影响。这种影响主要表现为相位差、干扰效应和遮蔽效应。干扰效应和遮蔽效应对群桩波流力的影响比较复杂,多采用群桩系数进行考虑。然而,目前群桩系数的研究大多针对简单的桩基排布形式,复杂群桩结构的群桩系数研究相对欠缺。
大尺度结构波流荷载的计算方法需要根据波、流的强弱来确定。波、流都较弱时,可以直接将波浪力和水流力线性叠加;强波弱流时,可以基于弱流假定和势流理论进行计算;强波、强流条件下,大尺度结构波流力的计算尚无理论依据可循,主要采用物理试验和数值模拟的方法进行研究。此外,极端条件下承台遭受的冲击荷载的计算也是高桩承台水动力荷载研究中富有挑战性的课题之一。
图8 波浪冲击荷载试验
3)地震流固耦合效应
高桩承台基础的承台部分尺寸较大,地震作用下,周围水体与承台之间会产生明显的流固耦合效应,从而引起明显的动水效应,改变结构动力特性。过去20年间,许多学者采用试验、数值模拟和解析推导的方法对桥梁下部结构的流固耦合效应进行了细致的研究,得到了圆柱、截断圆柱、非圆柱体和矩形承台等的流固耦合效应(如动水附加质量)计算方法。
4)高桩承台基础桥梁的结构响应分析
高桩承台基础上部质量大,侧向刚度小,受到强烈荷载作用后会产生十分复杂的结构响应。只采用静力分析方法,将低估结构在水动力荷载作用下的响应,增加结构失效的风险。高桩承台结构在水动力荷载作用下的动力响应分析逐渐从单一的波浪、水流和地震作用向多灾害共同作用发展。许多学者采用物理试验或数值模拟的方法对波浪、海流和地震等单一或多种灾害共同作用下的桥梁结构响应特征进行了研究。
图10 采用高桩承台基础的桥梁波浪动力响应研究
三
结论与展望
跨海桥梁高桩承台水动力作用研究在过去二十年中得到了快速发展,物理模型试验、数值模拟方法和理论分析等研究方法,对跨海桥梁高桩承台基础水动力作用的研究起到极大的推动作用。许多研究成果广泛应用于我国跨海大桥的设计与建造,有力推动了我国桥梁事业的发展。然而,现有研究仍未达完备,还存在一些亟待解决的关键科学和技术问题:
(1)作为研究桥梁高桩承台波、流作用的主要方法,物理模型试验和数值模拟在模拟真实环境的波流共同作用方面仍存在不足:桥梁结构模型的波流水池试验和不规则波、流相互作用的数值模拟亟待开展。
(2)在荷载计算方面,波流在复杂群桩结构间的传播和作用机理研究尚不深入,复杂桩群的群桩系数、相位差等尚无明确方法;极端条件下,高桩承台结构会受到具有强随机性的波流冲击作用,继续基于弱流假定和势流理论进行求解会产生较大误差,因此,有必要对波流冲击荷载峰值及时程曲线开展概率化研究。
(3)波浪、水流和地震共同作用下的桥梁结构—水体的全耦合数值模拟未见报道,如何在流固耦合模型中考虑结构非线性和流体非线性是未来的研究重点。
(4)海洋环境多灾害下的桥梁结构动力响应试验较为匮乏,无法为跨海桥梁安全性评价提供充足的数据支撑,应在未来研究工作中予以重视。
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知识点:跨海桥梁高桩承台基础水动力作用研究综述