《冰海域中墩柱結構地震損傷過程模擬及災變機制研究》是依託北京科技大學，由宋波擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：冰海域中墩柱結構地震損傷過程模擬及災變機制研究
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：宋波
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
我國擁有約300萬平方公里海洋面積，隨著經濟建設及海洋大開發的不斷深入，越來越多的重要橋樑、港口、採油平台將建設在複雜惡劣環境中（例如海冰、潮汐、流體、海浪及複雜地質環境等）。尤其是我國北方沿海地區，屬於冰雪災害比較嚴重的地區同時又是地震多發區，近年來冰凍及地震災害呈現明顯多發趨勢。考慮地震作用下冰水介質與墩柱結構動力耦合效應，研究大型沿岸工程結構的損傷機理，揭示其破壞倒塌機制，將為建設沿岸重大工程建設和運營提供科學依據和技術支撐。本課題通過研究地震作用下冰水環境介質-結構-基礎動力相互作用特點，基於水中振動台實驗，對常遇及罕遇地震下不同冰層範圍及厚度條件下墩柱結構的損傷過程進行模擬，通過分析地震作用下水中結構振動特性及衰減規律研究其災變機制，建立冰水複雜荷載環境下考慮流固耦合效應的非線性建模理論與計算方法，拓展多災害環境下考慮結構與冰水環境介質動力耦合作用的結構性能設計的新思路。
結題摘要
本研究基於理論分析、模型實驗和數值仿真開展了不同冰層範圍及厚度條件下墩柱結構的動力損傷過程模擬，研究了冰水荷載對結構的動力破壞機制，為解決工程結構在極端荷載條件下結構設計所涉及的核心技術問題奠定了基礎。取得的主要成果包括： （1）通過複雜冰水環境和地震共同作用下墩柱結構的相互作用的數值模擬，提出了動冰力修正模型。在修正的動冰力模型和動冰水附加質量的基礎上，建立了地震作用下冰-結構-水動力相互作用的簡化計算模型。經振動台實驗驗證了該模型的可靠性。 （2）研究了地震作用下，不同冰層厚度、不同結冰溫度對水中墩柱的力學特徵的影響。研究表明：在地震荷載作用下，冰對橋墩側面的動水壓力影響顯著。隨著冰厚的增加，橋墩側面動水壓力逐步增大，動水壓力影響係數逐步增大，而且海冰改變了動水壓力的分布形式；固結凍的冰厚較小時，有冰情況下橋墩結構的破壞率明顯高於無冰情況下，最高可達15%以上，且橋墩被自由冰包圍時，遠場地震波作用下海冰對單柱式橋墩頂部的最大位移和殘餘變形的影響較大，而近場地震波作用下對海凍的影響則相對較弱。 （3）基於模型試驗和數值仿真分析，研究了墩柱結構遭受不同層次冰凍範圍和冰層厚度及不同水準地震時（常遇和罕遇）墩柱結構動力損傷機制與破壞模式。研究發現：在多點一致地震激勵下，固結冰對橋墩的抗倒塌性能的影響可能會被低估。另外，與近場地震作用下相比，在遠場地震作用下，相同地震強度時橋墩結構回響更顯著；不同水深的冰凍範圍和不同類型地震條件下，墩身位移和加速度、墩底最大彎矩和剪力隨著冰體邊界範圍的增大而增大。 （4）對大型跨海橋的實例研究表明：自由冰和固結冰對橋墩的地震反應都有較大的影響，且對於自由冰，橋墩抗倒塌儲備係數與自由冰冰厚、水深都有明顯的負相關性。實例研究表明：冰對結構自振特性影響較大，有冰時頻率比無冰時頻率增大21%。冰對橋樑下部結構內力回響影響顯著。 （5）開展了常遇和罕遇地震作用下冰載及地震動水壓力理論分析與計算方法研究，以及不同類型地震波對水中結構的影響與機理、水中結構振動特性及衰減規律研究。推導出了冰水域墩柱結構地震回響的運動方程，建立了適用於實際工程設計領域的水-冰-橋墩動力相互作用簡化計算方法，並建立了賦予實際工程套用的數值分析方法，可以進行全橋時程動力回響分析。
