跨海高速铁路桥桥墩安全性检测技术的研究项目申请书.doc

跨海高速铁路桥桥墩安全性检测技术研究 项目申请书 一、立项背景 近年来，随着我国经济的飞速发展，交通运输日渐繁忙，作为交通咽喉的桥梁的地位也日益突出。其中，跨海大桥可有效缩短沿海两岸的通行时间，显著降低运输成本，极大地促进了大桥两岸的经济沟通和繁荣，因此得到了迅速的发展。目前，世界上著名的跨海大桥有位于波斯湾的巴林—沙特阿拉伯跨海大桥(全长25 km)、位于丹麦哥本哈根的大贝尔特桥(全长17.5 km)，连接瑞典和丹麦的厄尔松海峡桥(全长16 km，是世界最长的公铁两用斜拉桥)、位于加拿大的联邦桥(全长12.9 km，是世界上最长的穿过冰覆盖水域的桥)、日本连接本州与四国的濑户内海大桥(跨海距离9.6km)、我国的东海大桥(全长32.5 km)、宁波杭州湾跨海大桥(全长36 km，是目前世界上海上里程最长的跨海大桥)、绍兴杭州湾跨海大桥(上虞沽渚~嘉兴，大桥跨海约16 km)， 桥梁的安全性是指桥梁在各种作用下防止倒塌、保护人员不受伤害的能力，是桥梁最重要的质量指标。随着跨海大桥的跨度越来越大，技术难度越来越高，以及经济发展导致的交通运输能力要求越来越高，使得跨海大桥在建成后的结构安全性也无疑成为最受关心的问题。在桥梁的日常运营过程中，桥龄的增长，交通量、荷载的作用，气候、环境等自然因素的侵害而引起桥梁结构功能的劣化或损坏，影响行车安全，对人民生命财产造成严重威胁。而桥墩作为整座桥梁的支撑结构，直接影响着桥梁的安全性和稳定性。因此，对桥墩结构的变形、损伤等情况进行有效的检测，及时发现不安全因素并进行评价和决策，进而能够采取有效的维修养护措施十分必要。 在桥墩的众多不安全因素当中，水毁是最为突出的一个，而其中桥墩冲刷引起桥梁墩台失稳破坏则是桥梁水毁最主要的原因，严重影响着桥梁的整体稳定。Smith对1874年~1975年间在英国发生的143例桥梁垮塌事件的原因进行分析，发现其中49%的桥梁毁于洪水冲刷及基础移动引起的垮塌；1989年Kanda samy和Melville统计发现，新西兰60%的水毁是因为桥台及引航道冲刷造成的；过去30年中，美国垮塌的1000座桥梁中，60%都是由桥墩冲刷引起的。上述统计表明，各国桥梁破坏、垮塌的主要原因是冲刷引起的水毁。 因此，在研究跨海大桥桥墩冲刷作用机理和规律的基础上，进一步开展冲刷对桥墩安全性和稳定性的影响研究，不仅具有重大的学术价值，还具有重要的工程应用价值和显著的社会经济效益。 除桥墩冲刷外，荷载作用、气候影响、意外事故等因素都在不同程度上影响着桥墩的安全性和稳定性。而这些外力作用对桥墩的影响将体现在桥墩的沉降、水平位移、表观质量（裂缝）等多方面。由于每一方面对桥梁安全状况的影响程度也不一样，所以在掌握桥梁实际工作状态的基础上，建立完善的评价指标体系，将采集到的信息进行过滤、分解、综合、分析，对桥梁的安全状况做出准确的评价，进而能够采取合理、高效、低成本的管理及维护措施具有十分重要的意义。 同时，我国桥梁管理起步较晚，随着桥梁病害的增多，桥梁的养护与维修工作日趋繁重，这对桥梁的管理带来挑战。为与当今信息时代管理方式和信息处理手段相适应，研究出一种能快速、实时地检测桥墩当前工作状态以及基于实测数据迅速做出桥墩动态安全性评价的安全检测分析系统迫在眉睫。 二、国内外研究现状 1、桥墩局部冲刷 （1）局部复杂三维流场 桥墩周围的流场结构主要包括墩前水面涌波、桥墩迎水面向下水流、两侧绕流在床面附近形成的马蹄涡、桥墩两侧边界层分离形成的尾流旋涡、在墩两侧和墩台后由床面附近释放的小旋涡（见图1）。伴随旋涡的产生，床面静止的泥沙表现出阵发性随机运动状态，并在桥墩下游两侧旋涡相汇，从而形成很长的沙脊。桥墩迎水面两侧附近绕流流速最大，对河床作用最强。当这里的流速达到泥沙起动速度时，泥沙就开始向下移动，导致桥墩冲刷。研究桥墩周边复杂的三维流场对于了解桥墩冲刷的深层次机理具有十分重要的意义。 许多文献对于立柱绕流进行了大量、广泛和深入地研究，主要包括马蹄形旋涡、立柱后的尾流旋涡方面的研究。马蹄形旋涡的研究内容包括边界层厚度、桩柱Reynold数以及桩的几何形状和高度对于马蹄形涡的影响；层流马蹄形旋涡向湍流马蹄形旋涡的过渡；马蹄形旋涡下方的床面切应力，研究发现马蹄形旋涡下的床面剪切应力是上游未扰动处的5~11倍，这部分研究对于揭示桥墩冲刷的机理十分有意义。对于波浪中的立柱后边的马蹄形旋涡则还与Keulegan-Carpenter（简称KC）数有关，这方面的研究包括了马蹄形旋涡出现时临界KC数；马蹄形涡在波浪周期内出现的时段；波浪条件下马蹄形旋涡底部床面切应力；马蹄形旋涡分离的位置等。 尾流旋涡的中心形成负压吸起床面的泥沙带入下游，所以尾流旋涡的研究对于理解冲刷也是十分重要的。对于尾流旋涡的研究也很丰富，包括旋涡