基于动冰力识别的流冰-桥梁动力耦合振动研究

我国北部省份大部分地区都存在严重的冰情，尤其东北、西北地区。春季开河后形成的巨大流动冰排严重威胁着水中的桥梁结构。随着大型桥梁工程的建设，此问题愈发突出。而目前我国冰对桥梁的作用研究甚少，设计规范参照原苏联规范，只给出了静冰压力的计算方法，远不能满足实际要求。本项目通过理论与试验研究，对流冰排与桥梁的相互作用问题展开研究，采用实测与动冰力识别的方法，利用随机和数理统计理论，试图建立动冰力荷载谱和典型冰力时程曲线。在此基础上参考桥梁地震反应分析的思路，建立起桥梁-冰振反应分析方法。同时，项目采用非连续变形理论对冰与桥梁的相互作用机理展开研究，数值模拟冰在桥墩前的破毁过程及桥梁动力响应。冰-桥振动考虑其间的耦合效应。以此研究，为我国把桥梁结构抗冰设计从静力设计水平提高到动力设计水平提供理论基础，降低桥梁冰害的风险。

我国北部省份大部分地区都存在严重的冰情，春季开河后形成的巨大流动冰排严重威胁着水中的桥梁结构。本项目通过理论与试验研究，对流冰排与桥梁的相互作用问题展开研究，采用实测与数值仿真的方法，建立了各种桥墩的典型动冰力时程曲线。数值模拟了冰在桥墩前的破毁过程及桥梁动力响应，给出了桥梁受流冰碰撞震动的各项指标数据，对其安全性做出了评价，同时对于我国桥梁设计规范流冰力的计算给出了建议和评价。主要研究成果如下：.1．冰的物理力学特性的试验研究.通过大量的试验，系统研究了松花江内河河冰的单轴无侧限抗压强度、弹性模量、弯曲强度等指标，得到了这些指标随温度、加载速率的变化规律。研究表明，在加载速率在1E-3时冰的强度达到最大，当加载速率在1E-3至3E-3范围内，测试表现出韧脆双重特征，当加载速率超过3E-3时，表现出明显的脆性破坏，试件发生辟裂破坏。河冰弯曲强度要小于轴压强度。各项指标均有随温度降低而增大的趋势。.2．流冰撞击力及动冰力的实测与数值仿真研究.采用LS-DYNA分析平台，仿真分析了不同流速、不同厚度的冰排与不同形状的桥墩的碰撞破坏过程，得到了各类桥墩的典型动冰力时程曲线。并将曲线峰值与我国桥梁设计规范计算的最大冰压力值进行了对比，结果表明，在相同参数下，规范公式计算的最大冰压力大于碰撞仿真结果，约大20%左右。说明我国规范在冰压力计算方面是偏于保守的。对破冰体参数的分析中，认为当破冰体角度在120度时最有效，碰撞力最小，不必将破冰体做成锐角。.采用动冰压力传感器，对黑龙江富绥松花江大桥的流冰碰撞问题进行了现场实测，得到了真实的碰撞力时程曲线，为我国冰排研究积累了原始数据，可以作为桥梁动冰力分析的基础数据。.3．流冰-桥梁相互作用及冰振反应分析研究.采用非线性时程分析方法，基于得到的动冰力时程曲线，分析了哈尔滨松花江大桥以及哈尔滨松浦大桥两座典型大型桥梁的冰振反应，评价了桥梁震动状况，评估了桥梁安全。.项目完成了预期研究任务，达到了预期研究目标。

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