清水冲刷粗化层极限冲深试验研究

本文在总结前人对粗化层极限冲深研究的前提下,结合室内模型试验,在清水冲刷条件下,提出了一个较为简单的冲刷深度计算公式,试验结果表明该公式精度较高。同时,考虑上游来沙情况下,建立了一个能够综合反应水流强度和上游来沙情况的冲刷深度计算公式,试验结果表明计算值与实测值吻合较好。     

正挑桩式丁坝壅水特性及其冲刷深度计算模式理论

作为一种新型河工建筑物,桩式丁坝对水流及河床的影响亟需可靠的定量研究。为此,在前人研究的基础上,结合室内试验,分析了正挑桩式丁坝区域水流特性及其冲坑特征。采用叠加水头损失的方法并以此建立能量方程式,得出桩式丁坝壅水高度的计算公式。在此基础上,通过进一步理论分析,结合试验验证,对桩式丁坝局部冲刷深度进行了探讨。首先建立了坝头水流叠加模式,进而得出了坝轴断面的流速分布式,并推导出了正挑桩式丁坝局部最大冲刷深度的理论计算公式。所建立的壅水高度和最大冲刷深度计算公式具有清晰的数学模式和明确的物理意义,并得到了室内试验的验证,可为工程设计提供技术依据。     

丁坝局部冲刷深度计算问题探讨

分析了丁坝局部冲刷机理及其影响冲刷深度的各种因素,并对现有丁坝局部冲刷公式的研究成果进行了比较分析,从而在理论上提出了一种新的丁坝局部冲刷计算公式,为工程计算提供了方便。     

圆柱桥墩局部冲刷安全防护方法研究

针对当前桥梁服役环境复杂、受冲刷影响大和防护成本高等问题,基于 Ｆｌｏｗ－３Ｄ 软件的水动 力学分析对圆柱形桥墩局部冲刷安全防护方法进行数值模拟研究。参考 Ｍｅｌｖｉｌｌｅ经典水槽实验, 利用标准ｋ—ε湍流模型和大涡湍流模型求解圆柱形桥墩墩周水流流态与河床局部冲刷形态变化, 并进一步运用大涡湍流模型,考虑牺牲桩桩径、桩心距以及牺牲桩与护圈共同作用对桥梁最大冲刷 深度的影响,建立了结合局部冲刷安全防护的圆柱形桥墩冲刷数值模型。实验结果表明：在给定的 网格划分条件下,大涡湍流模型相较标准ｋ—ε湍流模型计算精度高;牺牲桩的桩径以及桩心距都 会影响桥梁最大冲刷深度,在所选取的工况条件下,牺牲桩桩径为０．２５Ｄ,桩心距为 Ｄ 时冲刷深度 最小;牺牲桩在与护圈共同作用时能够进一步减少桥梁最大冲刷深度。     

海底管线作用下沙质海床冲刷深度的计算

针对海底管线在输送石油过程中出现的管线冲刷问题,采用物理模型试验并控制一系列不同的试验变量,研究了单向恒定流作用下,海底管线未安装阻流器、安装阻流器及不同间隙比作用下,其下方海床冲刷深度的变化规律。试验结果显示,冲刷深度随雷诺数及阻流器高度的增加而增加;冲刷深度随间隙比的增大而减小,同时根据海床冲刷停止的流速公式(冲止流速),认为动水休止角是冲止流速的主要影响参数。利用流体的连续性条件,从不同角度推导了管线安装阻流器且有间隙比条件下冲刷坑深度的计算公式。结果表明:冲止流速、管线周围流场分布是冲刷深度的决定因素。经试验数据与计算公式的对比验证发现,计算值与试验值吻合良好,本文建立的公式能反应冲刷坑深度的变化规律,在实际工程应用中可适当参考此公式。     

海底管线冲刷的理论研究

对海底管线的冲刷原理进行研究,通过对裸置于海床表面的管线下部的泥沙颗粒进行力学分析,导出了管线冲刷起动的临界条件。并且通过对管线冲刷达到平衡状态时冲刷坑内流速和泥沙颗粒进行分析,推导出了冲刷达到平衡时冲刷坑底部的冲止流速和最大冲刷坑深度。研究结果对于预测裸置于海床表面的海底管线的冲刷起动和平衡冲刷深度提供了一定的理论参考。     

非恒定流作用下丁坝局部冲刷研究

丁坝水毁受多种因素的影响,通过水槽概化模型试验,在天然河流日均流量过程作用下,分别对比了相同重现期时年最大洪峰流量和有效洪水周期遭遇、年最大洪峰流量和半月最大洪水总量遭遇丁坝局部冲刷的程度,指出洪峰流量对冲刷深度起主导作用,洪水总量对坝头冲刷坑范围起主导作用,有效洪水周期对冲刷坑范围及冲刷深度均起其主导作用,并对非恒定流作用下坝头冲刷坑的发展过程进行了分析。     

桥墩局部冲刷的试验研究

基于桥墩局部冲刷的实际情况,提出了适用于桥墩局部冲刷的绕流挤压流动模式,同时结合泥沙起动流速,运用连续性方程、动量方程从理论上建立了桥墩局部冲刷深度的计算公式.公式建立过程中所使用的数学模式清晰,物理意义明确.最后通过野外及室内实测资料对计算公式进行验证,验证结果表明,所依据的绕流挤压流动模式是可行的,所建立公式的结构是合理的.     

桩基冲刷对近海大跨斜拉桥地震响应的影响分析

为研究桩基冲刷对近海大跨斜拉桥地震响应的影响,本文以实际工程为背景,建立全桥三维模型,根据现有经典理论计算背景工程的最大冲刷深度,将土对桩基的作用等效为土弹簧,采用“m”法计算冲刷线以下的桩-土相互作用刚度,从而得到不同冲刷深度下的全桥分析模型。通过对结构进行动力特性分析及地震响应时程分析,对比研究了不同桩基冲刷深度对大跨斜拉桥抗震性能的影响。研究表明:冲刷使得桥梁结构整体变柔,自振周期变长;冲刷深度越大,桩基在地震作用下的位移响应也越大;冲刷深度对桩基剪力的影响与桩长有关,桩基越长,剪力变化趋势越复杂;IDA分析显示,冲刷对桥梁的不利影响随地震动强度的增大而增大;结果表明桩基的局部冲刷会进一步加剧桥梁在地震作用下的危险性,冲刷问题在抗震设计中应予重视。     

河渠缓流弯道冲刷深度计算的探讨

介绍了河渠缓流弯道凹岸冲刷深度的计算公式，通过算例进行分析，并提出了建议，便于设计人员应用。     

基于SFM方法的不同倾角桥墩绕流局部冲刷特性试验

桥墩绕流冲刷是水流、泥沙和桥墩三者相互作用的结果,桥墩周围复杂的水沙运动关系是造成桥梁水毁的重要原因。定量分析桥墩冲刷地形特征规律及其与水流之间的相互作用关系,是深入研究桥墩绕流水沙作用机理及实际工程应用的重要突破口。本文开展两种坡降条件下不同倾角均匀沙动床桥墩绕流冲刷试验,并沿下游方向设置四个模型倾角0°、5°、10°、15°。使用粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry,PIV）测量桥墩绕流二维流场,并基于运动摄像恢复结构技术（Structure From Motion,SFM）实现冲刷地形三维重构,在此基础上分析床面冲刷三维地形结构和绕流流场特征,以构建紊流结构与冲刷地形相互耦合作用关系。结果表明：（1）SFM方法可实现冲刷地形三维结构重构,冲刷试验平衡时,模型前方和两侧冲刷坑较深,后方冲刷坑出现凸起,沿水流方向倾斜顺延上升至床面。（2）冲刷坑尺寸、面积和体积均随水流强度增大而增大,随倾角增大而减小。不同截面处冲刷坑面积、体积随坑深呈开口向上抛物线趋势增大。（3）桥墩模型对后方流向流速扰动范围随倾角增大而减小,对展向流速影响范围随倾角增大而增大。（4）随模型倾角增加,旋转强度与剪切应力影响范围均减小。剪切应力下切较易形成桥墩周围较深冲刷坑,而位于桥墩两侧大尺度流向涡向下游延伸,将促使桥墩后侧方浅长凹槽形成。     

冲刷环境下跨海桥梁海陆地震动作用易损性对比研究

现有跨海桥梁抗震分析时仍选用陆地地震动而忽略了海底与陆地地震动间的差异,且处于海洋环境中的桥梁下部结构在长时间流水冲刷下桩周土体流失进而导致结构稳定性降低。本文以某跨海大桥引桥段为例,利用ABAQUS建立有限元计算模型,考虑桩土作用和动水压力等因素影响,采用概率地震需求分析方法对不同冲刷环境下陆地和海底地震动作用下的桥墩、支座进行易损性分析。通过绘制桥墩、支座超越概率易损性曲线和超越概率增幅柱状图研究桥梁关键构件在海、陆地震动和不同冲刷深度下的损伤发展规律。研究结果表明：海底地震动下桥墩对比陆地地震动作用下更易损坏,且随着土体局部冲刷深度增加,桥墩破坏概率持续提高;冲刷深度对桥墩纵桥向破坏超越概率影响更为明显,同等强度地震动激励下,桥墩纵桥向破坏超越概率高于横桥向。支座较桥墩在相同工况作用下更易发生破坏,海底地震动作用下其破坏超越概率增幅普遍高于陆地地震动;随着冲刷深度增加,支座破坏超越概率逐渐提高,且随着地震动强度的增加,相较于陆地地震动,海底地震动作用下支座破坏超越概率受冲刷深度的影响更加明显。     

桥梁基础工程2020年度研究进展

桥梁基础的作用是将来自桥梁墩台的荷载平稳地传给地基,它是连接桥梁结构和大地持力层的基本结构。与其他建筑物的基础不同,桥梁基础承受上部结构传来的动荷载,通常位于水中或深水激流中,并且有庞大的体型和自重。由此带来的设计、施工和运营维护问题构成了桥梁基础工程领域独特的研究课题,尤其在各种跨海、跨江、跨不良地质区域的桥梁建设中,基础工程的问题尤为突出。本文以国内外桥梁基础工程领域的科研成果为主要依据,总结和评述近一年来在桥梁基础结构形式、基础冲刷、基础施工和基础抗震方面的研究进展,分析和讨论目前桥梁基础工程领域存在的问题,以期指出未来的研究方向和亟待开展研究的课题。分析表明,桥梁基础工程领域的研究应重视以下几个方面：近海岸深水复杂基础的水沙作用理论和输沙机理;适合我国深海地质特点的新型深水基础结构;大型沉井基础下沉和着床关键技术;以及地震作用下的土基础结构三者动力相互作用。     

苏通大桥深水群桩基础冲刷防护实测分析

桥墩建在流水中的桥梁几乎都面临墩周冲刷的问题,为了研究桥墩发生冲刷方式及冲刷防护方法,通过对处于长江下游的苏通大桥主4号大型群桩基础水深传感器及桩身轴力实测数据的分析,发现该桥梁工程采用的冲刷防护方案不仅有效地防止了主墩处河床冲刷,而且在河床铺设砂袋后,进行钢护筒插打时,砂袋被挤入到松软的河床底质层一定深度范围内,对河床底质层和桩周土起到挤密、增密和固结作用。大大提升了河床表层松散体的极限摩阻力,提高了群桩基础的承载力。     

大跨度缆索支承桥梁基础冲刷动力识别方法

为快速评估运营阶段桥梁基础冲刷状态,提出一种基于实测模态与模型更新的冲刷动力识别方法,并在杭州湾大桥桥塔冲刷检测中进行应用.分别于2013年、2016年对杭州湾大桥上部结构进行了两次环境振动下的加速度数据采集工作,并进行模态分析,得到两次测试所对应的结构自振频率与振型.同时利用有限元分析软件采用鱼骨模型进行上部结构数值建模,采用土弹簧进行下部结构桩土效应的模拟.首先利用冲刷非敏感模态的实测自振频率对数值模型中的桩侧等效弹簧刚度进行模型更新,直至得到与实际相符的桩土边界条件.进而利用冲刷敏感模态自振频率的实测变化值,对有限元模型中的基础冲刷深度进行模型更新,直至数值模拟变化值与实测变化值相一致,从而定量识别出3 a内基础冲刷深度的发展.最后,利用水下地形测量数据完成对该冲刷识别方法准确性的验证.研究结果表明:该方法利用桥梁上部结构实测模态变化进行下部结构基础冲刷模型的更新是可行的,基础冲刷深度的识别是准确的,可解决长期以来需要水下作业才能完成桥梁基础冲刷检测的技术难题.     

Equilibrium scour depth at offshore monopile foundation in combined waves and current

Unlike the pier scour in bridge waterways,the local scour at offshore monopile foundations should take into account the effect of wave-current combination.Under the condition of wave-current coexistence,the water-soil interfacial scouring is usually coupled with the pore-pressure dynamics inside of the seabed.The aforementioned wave/current-pile-soil coupling process was physically modeled with a specially designed flow-structure-soil interaction flume.Experimental results indicate that superimposing a current onto the waves obviously changes the pore-pressure and the flow velocity at the bed around the pile.The concomitance of horseshoe vortex and local scour hole around a monopile proves that the horseshoe vortex is one of the main controlling mechanisms for scouring development under the combined waves and current.Based on similarity analyses,an average-velocity based Froude number(Fra)is proposed to correlate with the equilibrium scour depth(S/D)at offshore monopile foundation in the combined waves and current.An empirical expression for the correlation between S/D and Fra is given for predicting equilibrium scour depth,which may provide a guide for offshore engineering practice.     

CFD prediction of local scour hole around bridge piers

In order to predict the local scour hole and its evaluation around a cylindrical bridge pier, the computational fluid dynamics (CFD) and theories of sediment movement and transport were employed to carry out numerical simulations. In the numerical method, the time-averaged Reynolds Navier-Stokes equations and the standard k-ɛ model were first used to simulate the three-dimensional flow field around a bridge pier fixed on river bed. The transient shear stress on river bed was treated as a crucial hydrodynamic mechanism when handling sediment incipience and transport. Then, river-bed volumetric sediment transport was calculated, followed by the modification of the river bed altitude and configuration. Boundary adaptive mesh technique was employed to modify the grid system with changed river-bed boundary. The evolution of local scour around a cylindrical bridge pier was presented. The numerical results represent the flow pattern and mechanism during the pier scouring, with a good prediction of the maximum scour hole depth compared with test results.     

基础冲刷对多种车激作用下桥梁动力行为的影响

为探究基础冲刷与桥梁车激动力行为变化的内在关系,推进基于动力的冲刷识别研究,建立可模拟移动车辆匀速、制动和变速行驶激励的车桥耦合振动分析模型,依托预应力混凝土连续梁桥工程实例,通过数值仿真方法系统研究了基础冲刷对不同行驶状态车辆激励下桥梁动力行为时域和频域特性的影响规律。结果表明:受冲刷桥墩的局部振动模态频率随冲刷深度增加而明显减小,未受冲刷桥墩的模态频率无明显变化。随冲刷深度由1 m增加至4 m,多种行驶状态车辆激励下,桥梁墩顶的纵向位移和加速度响应峰值均显著增大;同一冲刷水平下,车辆制动激励下墩顶纵向位移和加速度响应的峰值最大,且相较于无冲刷工况,响应峰值增幅分别线性增加至72.72%和56.26%;同时,冲刷敏感响应的频谱幅值显著上升,中心频率向低频偏移。研究结果将为基于车激动力响应的桥梁基础冲刷识别提供可行的动力指标和理论基础。     

Study on scour around vertical large-size cylinder base due to combined action of wave and current

Based on the mechanism of local scour around vertical large-sized cylinder due to combined action of wave and current,the sour morphology,scour process and the maximum scour depth around the cylinders are studied experimentally.The influence of various ocean environmental parameters on local scour around the cylinder is considered in physical model test.The experimental results indicate that the principal effect factors on the scour in fine-sand seabed are wave height,wavelength,current velocity,ratio of diameter to wavelength and ratio of depth to wavelength when the ratio of cylinder diameter to wavelength is from 0.2 to 0.8.In this paper,dimensional analysis theory is utilized to establish a theoretical equation for forecasting maximum scour depth around large-sized round cylinder base due to the combined action of wave and current.The results computed with the theoretical equation are compared with the experimental results,and found to be in good consistency.The results in this studies can be used to estimate the maximum sour depth around analogous structures.