一种计算跨海桥梁所受海啸荷载的方法技术

本发明专利技术提出了一种计算跨海桥梁所受海啸荷载的方法，该方法考虑净水波浪力和动水波浪力，建立了跨海桥梁在海啸作用下所受的波浪荷载的理论计算模型，基于水深，波高以及上部结构淹没深度对海啸诱导的波浪力的影响，通过求解流体静力学和动力学公式既可以求解得到作用在跨海桥梁上的海啸诱导的波浪力。应用本发明专利技术所建立的计算跨海桥梁所受海啸荷载的方法，可以简便而准确的计算海啸诱导下的不同水深，波浪高度，浸没系数下跨海桥梁箱型上部结构所受的最大波浪力，较以往方法准确度明显提高。

【技术实现步骤摘要】
一种计算跨海桥梁所受海啸荷载的方法
本专利技术涉及跨海桥梁受海啸荷载
，特别涉及一种箱梁上部结构海啸诱导波浪力的准确计算方法。
技术介绍
在过去的几十年里，几次海啸造成了巨大的破坏。1964年北加州海啸造成了巨大的海岸结构破坏和价值数百万美元的经济损失。2004年灾难性的印度洋海啸造成数千人伤亡，包括许多沿海桥梁在内的许多沿海建筑物被毁。2011年的日本大海啸给西太平洋沿岸桥梁带来了毁灭性的破坏，对沿岸社区造成了极端的影响，需要运输和救援行动。在这些毁灭性的海啸中受损的沿海桥梁数量引起了许多工程师和研究人员对沿海桥梁上极端波浪力的关注。现有研究大多集中在典型T型梁的海啸诱导波浪力上，该类型的桥梁上部结构通常用于东太平洋和西大西洋沿岸地区的沿海桥梁。相比之下，在西太平洋地区，箱梁上部结构是大跨度沿海桥梁的常用截面类型。这种结构的几何形状与典型的T型梁桥面板不同。此外，西太平洋地区经常遭受海啸，给沿海桥梁带来灾难性破坏。沿海桥梁上部结构的破坏可能进一步影响海啸后的救灾工作，并在海啸事件中造成更多的人员伤亡。因此，需要对上部结构的海啸诱导的波浪力进行准确的计算。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的缺陷，提供了一种计算跨海桥梁所受海啸荷载的方法，解决了现有技术中存在的缺陷。为了实现以上专利技术目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种计算跨海桥梁所受海啸荷载的方法，具体方法如下：水平和竖直向最大海啸诱导波浪力的计算公式写成：FH＝FHd_front-FHd_back+FD(1)FV＝FHV-Fw+Fl+FHC(2)FHd_front＝0.5αCwCd(H+d-Hgirder)/H(3)如果波浪能作用在梁的背面,即H+d>HgirderFHd_back＝0.5α(0.2H+d-Hgirder)/H(4)如果波浪不能作用在梁的背面,即H+d<HgirderFHd_back＝0(5)如果桥面板顶部存在波浪爬高,即H+d>HdeckFHV＝CwCdWdeck(H+d-Hgirder)/H(ddeck+dgirder)(7)Fw＝0.5Wdeck(H-CEd)/H(ddeck+dgirder)(8)如果桥面板顶部不存在波浪爬高,即H+d<HdeckFHV＝CwCd(Wgirder(H-CEd+(Hm-Hgirder)/2)+WdeckBottom(H-CEd))/H(ddeck+dgirder)(9)Fw＝0(10)FHC＝(1-α)(FHd_front+HHd_back+FD)(12)其中无量纲水平波浪力为FH，垂直波浪力为FV；无量纲波浪力通过桥跨长度上的入射波能量ρgH(ddeck+dgirder)Lbridge进行归一化，其中ρ是水的密度，g是重力加速度，H是孤立波高度，Lbridge是上部结构的横向长度。无量纲水平波浪力包括水平静水波浪力分量FHd_front和FHd_back，水平水动力分量阻力FD；无量纲垂直波浪力由垂直静水波浪力分量FHV和Fw、垂直水动力分量扬压力Fl和水平力贡献FHC组成；Hgirder是从地面到梁底的距离；Hdeck是从地面到桥面底部的距离；Hm是从地面到桥面顶部的距离；d是水深，Wgirder是梁的宽度，Wdeck是桥面的宽度，WdeckBottom是桥面底部的宽度。进一步地，水平静水波浪力是根据作用在箱梁侧面的水的体积来计算的，水的体积用0.5(H+d–Hgirder)Lbridge(ddeck+dgirder)来表示。进一步地，如果波浪作用于梁的背面，则应将箱梁背面的静水波浪力从总水平静水波浪力中减去。考虑到波浪作用于上部结构时的波浪破碎和波浪爬高，采用0.2倍波高计算梁背面的静水波浪力。进一步地，垂直静水波浪力包括两种情况：当桥面板顶部波浪力等于零时，第一种情况发生，垂直静水波浪力来自没有水过顶时结构下方的水的体积。第二种情况则是桥面板和梁底部的波浪力减去波浪爬高造成的波浪力。波浪爬高Fw引起的垂直静水压力由爬高波浪的水体积表示。水平力FHC是由水平波浪力各分量共同作用而产生的，该计算与实际情况相符。进一步地，对于水动力，动力效应由基于伯努利原理的速度相关分量表示。采用水粒子的速度来计算阻力和升力，在计算阻力和升力时，系数CD和Cl均设为1.0.α＝(1–tanφ)是与斜腹板角度相关的倾斜度系数，其中φ是梁腹板与垂直方向之间的倾斜度；CI是冲击系数，与引起箱梁冲击波力的波浪破碎相对应。进一步地，水粒子的速度由二阶孤立波理论确定，其中ux是水粒子在横梁的中心位置的最大水平速度，uz是桥面板底部水粒子的最大垂直速度。梁的形状对波浪力的影响由这些方程中的效应系数Cw和Cd表示。根据梁形对波浪力的敏感性分析，桥面厚度的影响系数为Cd＝1–0.1(ddeck–0.0127)/0.0127，梁长的影响系数为Cw＝1–0.1(Wgirder–0.143)/0.143。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：该方法考虑净水波浪力和动水波浪力，建立了跨海桥梁在海啸作用(孤立波模型)下所受的波浪荷载的理论计算模型，基于水深，波高以及上部结构淹没深度对海啸诱导的波浪力的影响，通过求解流体静力学和动力学公式既可以求解得到作用在跨海桥梁上的海啸诱导的波浪力。应用本专利技术所建立的计算跨海桥梁所受海啸荷载的方法，可以简便而准确的计算海啸诱导下的不同水深，波浪高度，浸没系数下跨海桥梁箱型上部结构所受的最大波浪力，较以往方法准确度明显提高。附图说明图1是本专利技术方法推导时所建立的海啸诱导波浪作用桥梁上部结构的理论模型示意图；图2是本专利技术实施案例中计算所采用的箱梁上部结构详细尺寸(单位：cm)；图3是本专利技术所提方法计算得到的海啸诱导波浪力结果与数值模拟计算结果的对比图；图3a是水平力对比结果图；图3b是竖直力对比结果图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本专利技术做进一步详细说明。一种计算跨海桥梁所受海啸荷载的方法，具体方法如下：水平和竖直向最大海啸诱导波浪力的计算公式可以写成：FH＝FHd_front-FHd_back+FD(1)FV＝FHV-Fw+Fl+FHC(2)FHd_front＝0.5αCwCd(H+d-Hgirder)/H(3)如果波浪能作用在梁的背面,H+d>HgirderFHd_back＝0.5α(0.2H+d-Hgirder)/H(4)如果波浪不能作用在梁的背面,H+d<HgirderFHd_back＝0(5)如果甲板顶部的溢出水退出,H+d>HdeckFHV＝CwCdWdeck(H+d-Hgirder)/H(ddeck+dgirder)(7)...

【技术保护点】
1.一种计算跨海桥梁所受海啸荷载的方法，其特征在于，具体方法如下：/n水平和竖直向最大海啸诱导波浪力的计算公式写成：/nF

【技术特征摘要】
1.一种计算跨海桥梁所受海啸荷载的方法，其特征在于，具体方法如下：
水平和竖直向最大海啸诱导波浪力的计算公式写成：
FH＝FHd_front-FHd_back+FD(1)
FV＝FHV-Fw+Fl+FHC(2)
FHd_front＝0.5αCwCd(H+d-Hgirder)/H(3)
如果波浪能作用在梁的背面,即H+d>Hgirder
FHd_back＝0.5α(0.2H+d-Hgirder)/H(4)
如果波浪不能作用在梁的背面,即H+d<Hgirder
FHd_back＝0(5)



如果桥面板顶部存在波浪爬高,即H+d>Hdeck
FHV＝CwCdWdeck(H+d-Hgirder)/H(ddeck+dgirder)(7)
Fw＝0.5Wdeck(H-CEd)/H(ddeck+dgirder)(8)
如果桥面板顶部不存在波浪爬高,即H+d<Hdeck
FHV＝CwCd(Wgirder(H-CEd+(Hm-Hgirder)/2)+WdeckBottom(H-CEd))/H(ddeck+dgirder)(9)
Fw＝0(10)



FHC＝(1-α)(FHd_front+HHd_back+FD)(12)
其中无量纲水平波浪力为FH，垂直波浪力为FV；无量纲波浪力通过桥跨长度上的入射波能量ρgH(ddeck+dgirder)Lbridge进行归一化，其中ρ是水的密度，g是重力加速度，H是孤立波高度，Lbridge是上部结构的横向长度；无量纲水平波浪力包括水平静水波浪力分量FHd_front和FHd_back，水平水动力分量阻力FD；无量纲垂直波浪力由垂直静水波浪力分量FHV和Fw、垂直水动力分量扬压力Fl和水平力贡献FHC组成；
Hgirder是从地面到梁底的距离；Hdeck是从地面到桥面底部的距离；Hm是从地面到桥面...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄博，任青阳，崔晓璐，祝兵，杨志莹，殷瑞涛，颜挺毅，万通，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50