风、海浪和地震联合作用下近海桥梁结构随机振动分析方法研究

In the dynamical analysis of bridge structures, most efforts are limited to the cases of unique deterministic excitation input, stationary process and linear elastic structures. To overcome these limitations, this study tentatively combines analytical study, numerical simulation and model experiments to systematically develop a random vibration method for offshore bridges under the simultaneous action of wind, wave and earthquake. This study investigates the individual models of wind, wave and earthquake, and analyzes the corresponding responses of offshore bridges separately. The study determines critical excitations at different locations of bridges, proposes the combination approach of wind, wave and earthquake and establishes a combined excitation model considering the non-stationary characteristic of excitation. The research summarizes the law of the response behavior for representative offshore bridges, develops structural simplification principles of bridge models and establishes simplified mechanical models. Based on random vibration theory and given the geometrical nonlinearity of structures, a random vibration method is proposed for analyzing offshore bridges under wind, wave and earthquake. Adopting the proposed method, the research analyzes the response of representative offshore bridges, summarizes the law of response behavior due to combined actions and reveals failure mechanisms and failure modes. This study provides reliable theoretical basis and analytical approaches for the design of offshore bridges, which has important theoretical and realistic significance.

针对目前桥梁结构振动响应分析多采用单一确定激励输入、平稳过程和线弹性结构的现状，本项目拟采用理论分析、数值模拟、模型试验相结合的研究方法，系统开展风、海浪和地震联合作用下近海桥梁结构随机振动分析方法的研究。研究风、海浪和地震单独作用激励模型，进行各激励单独作用下的近海桥梁结构响应分析，确定其不同结构部位的控制激励，提出风、海浪和地震作用的组合方法，建立考虑激励非平稳特性的联合作用激励模型。总结激励联合作用下典型近海桥梁结构的响应规律，提出桥梁结构模型简化原则，建立其力学计算简化模型。基于随机振动理论，考虑结构几何非线性，提出风、海浪和地震联合作用下近海桥梁结构随机振动分析方法。采用所提出的方法分析典型近海桥梁结构的响应，总结激励联合作用下其响应规律，揭示其破坏机理和失效模式。研究成果将为近海桥梁结构的设计提供可靠的理论依据和分析方法，具有重要的理论意义和工程价值。

（1）建立三维数值波流水槽模型，对不同参数大尺度桥墩波浪和水流联合作用进行数值模拟，提出了圆形、方形和矩形截面大尺度桥墩非线性波流荷载模型，并与已有试验进行对比验证。结果表明，计算结果与试验结果吻合较好；波流荷载模型可用于近海结构波流力的计算。.（2）推导了风生波浪能量理论解，根据已有实测数据得到了波浪能量实测解，提出并验证了风速、波高和风生波浪能量贡献率的统计模型；建立了风浪联合作用功率谱模型，并进行了风浪联合作用下近海斜拉桥随机动力响应分析。结果表明，风浪互谱对斜拉桥水下结构轴力和桥塔弯矩的影响不可忽略。.（3）建立了地震—波浪耦合作用下大尺度桥墩流固耦合模型，研究了波浪作用、地震引起动水压力和波浪效应间耦合作用对桥墩动力响应的影响。结果表明，耦合作用对沿桥墩高度加速度和动水压力分布、桥墩总动水力影响较大；可以将地震和波浪联合作用简化为二者的线性叠加。.（4）从时域分析和随机振动两方面探讨了地震作用下水与结构相互作用对桥梁结构动力响应的影响；建立了地震—波流联合作用下深水桥梁时域分析方法，以及地震—波浪联合作用下近海斜拉桥随机动力分析方法。结果表明，水与结构相互作用对桥梁上部结构响应影响较小，对下部结构响应影响较大。.（5）开展了地震—波流联合作用下大尺度桥墩模型水下振动台试验，研究了波流作用对深水桥墩地震响应的影响程度，以及不同工况沿桥墩高度动水压力分布规律。结果表明，仅地震作用时，动水压力一般使桥墩动力响应幅值增加；地震和波流联合作用时，波流作用使桥墩地震响应的增减取决于地震和波流作用间的相位差以及二者的相对大小。.（6）建立了剪切阀式MR阻尼器的简化设计方法，简化了阻尼器设计过程。设计了新型抗风隔震支座，正常使用条件下其约束主梁，提供高刚度，抵抗风作用；地震作用下其提供低刚度，有效隔震，震后可恢复抗风性能。