桥梁群桩基础在船撞作用下的动力反应研究

Pile group foundation is widely adopted for the large bridge, while study on the safety of it lacks considering ship impact. Since soil structure interaction is simplified for the study on ship bridge collision at present, the accuracy and reliability of result is decreased seriously. Dynamic response of pile group foundation of bridge impacted by ship will be studied for this project, which is a nonlinear transient dynamic problem. By the direct method, ship bridge collision and soil structure interaction will be coupled, and model experiment and numerical simulation will be carried out. After the dynamic characteristics of impact objects have been studied, the reasonable models of ship, structure of bridge including pile group foundation and soil will be made. Then the coupling dynamic response will be simulated. The law how the characteristics of pile group foundation, soil, ship and superstructure affects dynamic response of pile group foundation will be explored. On this basis, the computing method of ship impact considering soil structure interaction and the simplified model of pile group foundation for study on dynamic response of the whole bridge impacted by ship will be further studied. The achievements of study will promote the development of the related design and study.

群桩基础是大型桥梁普遍采用的基础形式，而船撞作用下桥梁的群桩基础的安全性缺乏研究。目前船撞桥梁的研究中，简化处理了土-结构相互作用，严重影响了分析结果的精度和可靠性。本项目将针对桥梁群桩基础在船撞作用下的动力反应这一高度非线性的瞬态动力问题开展研究。基于直接法的思路，耦合船-桥碰撞、土-结构相互作用，开展室内模型试验和数值模拟。分析船体、桥梁结构（包括群桩基础）和土体在碰撞过程的动力特性，建立合理的模型，模拟上述耦合动力反应过程，揭示群桩基础、土体、船舶及上部结构等碰撞关联物体的特性对群桩基础在船撞作用下的动力反应的影响机理。在此基础上，进一步研究考虑土-结构相互作用的桥梁船撞力的计算方法和全桥在船撞作用下动力反应的群桩基础部分的简化模型。研究成果将推进船撞作用下桥梁结构的合理设计，促进全桥在船撞作用下动力反应等相关研究的发展。

船撞作用下桥梁群桩基础的安全性缺乏研究。本研究针对船撞作用下群桩基础的动力反应机理，基于直接法的思路，耦合船—桥碰撞、土—结构相互作用，利用室内模型试验和数值模拟，开展了以下研究工作:(1)研究了船舶结构对船舶碰撞影响,分析了船艏水平向和竖向隔板数、形状及板厚等因素对船碰撞动力反应的影响，结果表明随着船舶刚度增大，船撞力随之增大，碰撞接触时长缩短，碰撞耗能率下降。(2)研究了船撞作用下单桩及群桩的动力反应，结果表明随着船舶重量增加，最大桩顶位移逐渐增加，最大桩顶加速度虽逐渐增加，但增幅不大。随着船速的增加，最大桩顶位移及最大桩顶加速度逐渐增大；随着撞击角度减小，最大承台加速度出现时刻、最大承台位移均逐渐减小，最大承台偏转角度先增大后减小，在撞击角度为 时，最大承台偏转角度最大。随着撞击位置从承台中心向承台边缘变化，承台加速度时程、最大承台位移变化较小，而最大承台偏转角度呈线性增加。随着上部荷载增加，最大桩顶加速度、最大桩顶位移均逐渐减小。随着露出地面桩长的增加，桩基础动力反应均逐渐增加，由于整体刚度变大，露出地面桩长对群桩的影响小于单桩。桩间距对群桩动力反应影响均较小。随着桩径和桩数的增加，最大桩顶加速度、最大桩顶位移逐渐减小，但减幅逐渐减小；随着土动弹性模量的增加，最大承台位移和最大承台加速度逐渐增加，增幅逐渐减小。(3)研究了混合桩水平抗弯刚度，分析了含钢率、泥皮弹性模量及泥皮厚度对混合桩的水平抗弯刚的影响。在此基础上，进行多元线性回归拟合分析，提出了混合桩水平抗弯刚度的计算方法。(4)研究了船撞作用下混合桩单桩动力反应，相同的船撞作用下，混合桩的桩顶最大位移、桩顶最大加速度比普通桩小得多，钢护筒明显提高了桩的抗水平撞击性能。有泥皮的混合桩的桩顶最大位移、桩顶最大加速度均大于无泥皮的，表明泥皮对于混合桩的水平承载性能存在不利影响。(5)研究了最大船撞力和各影响因素的关系，提出了考虑了土-结构相互作用船撞力计算方法，该方法中最大船撞力和船舶重量的开方成正比、和船速成正比、和桩径、土体剪切模量、地面以上桩长成指数函数关系。综上所述，在船撞作用下桩基础的动力反应机理研究基础上，提出土-结构相互作用对船撞力计算方法；针对船撞防护的新型桩基础-混合桩，提出了其水平抗弯刚度计算方法，并结合其结构特性分析船撞作用下动力反应影响，上述工作可指导船撞作用下桥梁桩基础的合理设计。