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1、跨海高速铁路桥桥墩平安性检测技术研究项目申请书跨海高速铁路桥桥墩平安性检测技术研究项目申请书一、立项背景最近几年来，随着我国经济的飞速进展，交通运输日渐忙碌，作为交通咽喉的桥梁的地位也日趋突出。其中，跨海大桥可有效缩短沿海两岸的通行时刻，显著降低运输本钱，极大地增进了大桥两岸的经济沟通和繁荣，因此取得了迅速的进展。目前，世界上闻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)

2、、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)，等等。桥梁的平安性是指桥梁在各类作用下避免倒塌、爱惜人员不受损害的能力，是桥梁最重要的质量指标。随着跨海大桥的跨度愈来愈大，技术难度愈来愈高，和经济进展致使的交通运输能力要求愈来愈高，使得跨海大桥在建成后的结构平安性也无疑成为最受关切的问题。在桥梁的日常运营进程中，桥龄的增加，交通量、荷载的作用，气候、环境等自然因素的侵害而引发桥梁结构功能的劣化或损坏，阻碍行车平安，对

3、人民生命财产造成严峻要挟。而桥墩作为整座桥梁的支撑结构，直接阻碍着桥梁的平安性和稳固性。因此，对桥墩结构的变形、损伤等情形进行有效的检测，及时发觉不平安因素并进行评判和决策，进而能够采取有效的维修养护方法十分必要。在桥墩的众多不平安因素当中，水毁是最为突出的一个，而其中桥墩冲洗引发桥梁墩台失稳破坏那么是桥梁水毁最要紧的缘故，严峻阻碍着桥梁的整体稳固。Smith对1874年1975年间在英国发生的143例桥梁垮塌事件的缘故进行分析，发觉其中49%的桥梁毁于洪水冲洗及基础移动引发的垮塌；1989年Kanda samy和Melville统计发觉，新西兰60%的水毁是因为桥台及引航道冲洗造成的；过去3

4、0年中，美国垮塌的1000座桥梁中，60%都是由桥墩冲洗引发的。上述统计说明，各国桥梁破坏、垮塌的要紧缘故是冲洗引发的水毁。因此，在研究跨海大桥桥墩冲洗作用机理和规律的基础上，进一步开展冲洗对桥墩平安性和稳固性的阻碍研究，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。除桥墩冲洗外，荷载作用、气候阻碍、意外事故等因素都在不同程度上阻碍着桥墩的平安性和稳固性。而这些外力作用对桥墩的阻碍将体此刻桥墩的沉降、水平位移、表观质量（裂痕）等多方面。由于每一方面对桥梁平安状况的阻碍程度也不一样，因此在把握桥梁实际工作状态的基础上，成立完善的评判指标体系，将搜集到的信息进行过滤、分解、

5、综合、分析，对桥梁的平安状况做出准确的评判，进而能够采取合理、高效、低本钱的治理及保护方法具有十分重要的意义。同时，我国桥梁治理起步较晚，随着桥梁病害的增多，桥梁的养护与维修工作日趋繁重，这对桥梁的治理带来挑战。为与现今信息时期治理方式和信息处置手腕相适应，研究出一种能快速、实时地检测桥墩当前工作状态和基于实测数据迅速做出桥墩动态平安性评判的平安检测分析系统迫在眉睫。二、国内外研究现状一、桥墩局部冲洗（1）局部复杂三维流场桥墩周围的流场结构要紧包括墩前水面涌波、桥墩迎水面向下水流、双侧绕流在床面周围形成的马蹄涡、桥墩双侧边界层分离形成的尾流旋涡、在墩双侧和墩台后由床面周围释放的小旋涡（见图1）

6、。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，并在桥墩下游双侧旋涡相汇，从而形成很长的沙脊。桥墩迎水面双侧周围绕流流速最大，对河床作用最强。当那个地址的流速达到泥沙起动速度时，泥沙就开始向下移动，致使桥墩冲洗。研究桥墩周边复杂的三维流场关于了解桥墩冲洗的深层次机理具有十分重要的意义。许多文献关于立柱绕流进行了大量、普遍和深切地研究，要紧包括马蹄形旋涡、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数和桩的几何形状和高度关于马蹄形涡的阻碍；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，研究发觉马蹄形旋涡下的床面剪切应力是上游未扰

7、动处的511倍，这部份研究关于揭露桥墩冲洗的机理十分成心义。关于波浪中的立柱后边的马蹄形旋涡那么还与Keulegan-Carpenter（简称KC）数有关，这方面的研究包括了马蹄形旋涡显现时临界KC数；马蹄形涡在波浪周期内显现的时段；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，因此尾流旋涡的研究关于明白得冲洗也是十分重要的。关于尾流旋涡的研究也很丰硕，包括旋涡脱落、旋涡脱落的频率、桩柱Reynold数、桩柱壁粗糙度、桩柱断面形状、来流湍流度关于尾流旋涡的阻碍等，关于波浪中的尾流涡流的研究也十分充分，各类流态下涡流的复杂行为也取得了专

8、门好的熟悉。图1 桥墩周围流场示用意（2）桥墩冲洗公式在给定桥墩几何尺寸、水流条件、床沙性质条件下，桥墩（台）处最大冲洗深度的预测不论从桥梁设计的角度仍是从科学研究的角度来讲都是一个很有价值的课题。据不完全统计，桥墩局部冲洗的预测公式超过50个，这说明了桥墩冲洗问题复杂性，同时也说明了其重要性。这些公式成立的方式能够分为：体会方式。并非直接从冲洗产生物理机理动身，而是体会地成立冲洗深度与某些水流参数、床沙参数的关系。还能够细分为由：依照模型实验资料得出，如Lacey公式；依照现场实测资料得出，如Jain 公式；通过因次分析和多变量相关分析结合实验资料得出，如我国标准推荐的65-1和65-2公式

9、。半体会半理论方式。从物理机理动身说明冲洗的进程，可是由于冲洗问题本身就超级复杂，理论推导时作了很多的近似和简化，同时还有一些参数需要通过实验或实测资料来确信。半体会半理论方式可初步分为：从桥墩前向下水流携带泥沙进程中能量转化的角度，如雅罗斯拉夫采夫公式（1954）和张佰战公式（2004）；桥墩挤压水流致使冲洗，如詹义正等人公式（2006）；马蹄形旋涡理论，如Baker公式(1980)。（3）桥墩冲洗数值模型桥墩冲洗数学模型是利用运算机耦合求解水流运动方程、悬移质扩散方程、推移质运动方程和床面变形方程，从而求解床面高程转变直至达到平稳冲洗的进程。相较于现场观测与实体模型实验来讲，数学模型的利用

10、本钱低、修改起来也更为灵活。水流运动方程能够分为一维、二维和三维。在河流、河口、海岸等大范围的水域计算当中，二维水沙模型应用得很广，相对来讲进展也比较成熟。二维水流运动方程无法求解对桥墩阻碍专门大的是下降水流和马蹄形旋涡，因此二维水沙模型并非适用于桥梁局部冲洗问题，必需采纳三维水流方程。很多商业软件（如SMS）中对桥墩局部冲洗的求解是通过二维水沙模型求解大范围的一样冲洗和桥下的收缩冲洗，而局部冲洗采纳的仍是体会公式，这种方式事实上是数值计算与体会公式的结合。三维水流方程包括持续方程和Navier-Stokes方程。在桥墩局部冲洗问题中，表面有自由水面，底边为动边界，边界随着冲洗进程的进行而发生

11、转变，这使得桥墩局部冲洗的流场求解问题更为复杂。实际工程中碰到的三维流动都是湍流，湍流数值解法要紧分为直接数值模拟、雷诺平均统计模式、大涡模拟三大类。目前在桥墩冲洗文献中显现的湍流模拟方式有雷诺平均统计模型和大涡模拟。在文献中普遍利用的RANS模型有-模型、雷诺应力模型（RSM）和代数应力模型（ASM），但ASM尚未见用于桥墩局部冲洗的计算中，而在桥墩局部冲洗问题中，湍流是各向异性的，因此应用标准-模型不适合。从桥墩周边的局部流场的模拟结果看，RSM模型要优于-模型，流场、桥墩周围的自由水面与水槽实验值很接近，底部切应力尚缺乏实验资料验证。从工程的角度说，RANS模型仍是能够知足精度的。湍流大

12、涡数值模拟（LES）把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动量通过某种滤波方式分解成大尺度运动和小尺度运动两部份。大尺度要通过数值求解运动微分方程直接计算，小尺度运动对大尺度运动的阻碍将在运动方程中通过亚格子雷诺应力来求解，经常使用的亚格子模式有以下几种：Smagorinsky模式；动态亚格子模式；相似性模式；混合模式。有研究者研究了水平床面上的立桩的绕流的LES数值解，LES方式能够专门好地模拟马蹄形旋涡和尾部旋涡的脱落。要紧受到运算机运行速度的限制，其在工程问题中的应用还较少。三维水沙数学模型方程离散求解方式分为FDM（Finite Difference Method）、FEM（Finite El

13、ement Method）、BEM（Boundary Element Method）和FAM有限分析法。经常使用的数值计算方式有垂向分层法、函数展开法、破开算子法、边界拟合坐标法、二三维耦合法等。在对三维水沙数学模型的自由水面的处置上，目前经常使用的处置方式有：刚盖假定。假定在自由水面存在一个不变形的刚性盖，形式十分简单，并对一些自由水面位置随时刻转变不大的情形能够取得中意的计算结果，因此取得了较普遍地应用；MAC（Marker and Cell）法。该方式采纳一组随流体运动的标记点。该方式能够较好地模拟含自由表面的不可紧缩流体运动，但收敛性较差，需要大量的运算机内存和运行时刻。VOF（Vol

14、ume of Fluid）法。VOF法通过成立和求解F的输移扩散方程来确信自由水面的位置。该方式已慢慢应用到大型水工建筑物中水流流动计算。LINC法（Lagrangian Incompressible Method），该法采纳拉格朗日网格，网格的节点随流体运动，只能用于计算流体变形不大的情形。另外还有很多其它方式如标高函数法、线元素法、TVD法和HHSIMPLE法等。在计算网格方面，在三维水流计算中普遍采纳的有坐标法，适用于复杂边界条件的分区网格、多重网格，非正交贴体网格及TEL方式等。在二维床面糙率、挟沙力沿河宽散布、非均匀沙分组挟沙力及级配、恢复饱和系数和动边界和水流运动方程中的铅直面摩阻

15、项及泥沙扩散方程中的扩散项的处置问题上尽管取得必然的功效，可是精度、适用性仍不太理想，这些因素成为限制局部冲洗三维数值计算的精度的重要因素。国内在三维水沙模型上已开展了研究，但关于桥梁局部冲洗的三维数值计算目前局限于局部三维流场的计算，尚未耦合泥沙运动方程和床面变形方程。国外已经进行了简单桥墩（桥台）在恒定流、均匀沙中的计算，并与水槽实验值进行了对照。实际工程几何边界复杂，水流边界边界条件也不是非恒定的。二、桥墩冲洗的平安性分析当跨海大桥桥墩周围发生局部冲洗，容易显现部份基底被淘空的情形，这时由于基础下部受力面积发生化，将致使基底应力从头散布，并引发桥墩墩身及基础的一系列转变，使得桥墩的强度、

16、刚度和稳固性亦发生相应改变，迫使咱们需要从头评估冲洗发生后桥墩的平安性和稳固性。而恰本地选择桥墩基底冲洗模型与地基模型并准确地进行地基沉降与应力计算是一切平安性和稳固性评估的基础。桥梁墩台基础冲洗深度预测是冲洗稳固性分析的基础。FangLi-Gang等采纳潜水员跟踪视频探测的方式，对墩台冲洗的几何形态进行了初步的探测工作，并依照探测结果，分析了受冲洗墩台的稳固性。黄代勇等人以为桥墩周围覆盖层收到冲切后致使桩身周围埋置深度不足，减弱了桩基的承载能力，从而阻碍了桥墩的平安性。同时，通过测算发觉承载力随着桩基埋置深度的降低而降低，而侧向稳固是承载能力的操纵因素，建议采纳“冲洗平安性”指标来评估桥墩冲

17、洗后的平安性。王成等人针对斜坡桥基被水流冲空的情形，研究了任意冲空范围对桥梁基础稳固性的阻碍程度，并分析了冲洗作用后墩台倾覆轴的确信方式和桥墩的抗倾覆系数。梁锴等人提出了桥墩在受各类不同冲洗程度的阻碍下，通过改变基底的支承方式模拟基础底部被掏空的途径，应用有限元方式进行基底压应力和墩顶位移计算分析的方式，取得不同冲洗程度对桥墩稳固性的阻碍。方理刚等人以湘黔铁路资水大桥为研究对象，结合水下探测资料，研究了冲洗对铁路重力式实体桥墩稳固性的阻碍，并通过Matlab计算程序取得了冲洗程度与墩台稳固系数的曲线表达式。近些年，有关地基模型和沉降计算的研究有很多，并取得了很多很有价值的功效。通过严格的数学推

18、导取得了横观各向同性半空间模型散布荷载在矩形面积上作用的应力和沉降计算理论。曲广琇等人针对湘黔铁线路上的资水大桥，应用弹性半空间地基模型和Matlab编制的计算程序分析计算了基底不同冲洗淘空面积对桥墩墩顶弹性水平位移和基底压应力的阻碍,从而取得了在不同冲洗程度下桥梁的整体稳固情形。康家涛通过成立横观各向同性弹性半空间地基条件下的荷载作用模型，就冲洗对桥墩平安性和稳固性的阻碍进行了深切探讨，同时又基于ANSYS进行桥墩冲洗稳固性数值模拟，并将两种模型的结果进行了对照。整体来讲，关于冲洗对桥墩平安性的阻碍分析已经取得了必然的功效，但这些功效均基于特定的冲洗形状和位置，分析模式还不完善，不能知足目前

19、对桥墩平安性和稳固性评估的需要。同时，关于一样冲洗的形状及位置的探测与冲洗机理的研究仍有待于进一步开展，以便为冲洗与桥墩平安性之间的阻碍分析提供加倍准确的数据。3、桥墩的平安性评估20世纪80年代以来，国内外学者针对桥梁结构的平安性评判进行了普遍深切的研究，陆续提出了层次分析法、灰色关联分析法、变权系数法、模糊综合评判法、神经网络等多种方式，有效的提高了桥梁平安性评估的准确度。而其中比较经常使用的方式有层次分析法和模糊综合评判法。层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）是将决策老是有关的元素分解成目标、准那么、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决

20、策方式。该方式是由美国运筹学家匹茨堡大学教授于本世纪70年代初提出的。其大体思想是把决策问题按总目标、子目标、评判标准直至具体方案的顺序分解为不同层次的结构，然后利用求判定矩阵的特点向量的方式，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的权重，最后再用加权和的方式递阶归并，并求出各方案对总目标的综合评判值。这种方式的特点是在对复杂的决策问题的本质、阻碍因素及其内在关系等进行深切分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维进程数学化，从而为多目标、多准那么或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方式，是对定性问题进行定量分析的一种简便、灵活而又有效的多准那么决策方式。而模糊综合评判法是在美国加州大学伯

21、克利分校电气工程系的教授于1965年创建的模糊集合理论的数学基础上进展起来的,要紧包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊操纵等方面的内容。模糊评判的大体思想是由于许多情形的边界并非十分明显,评判时很难将其归于某个类别,于是先对单个因素进行评判,然后再对所有因素进行综合模糊评判,避免遗漏任何统计信息和信息的半途损失,这有助于解决用“是”或“否”如此的确信性评判带来的对客观真实的偏离。孙九春综述了桥梁评估技术的进展与现状，并专门指出了层次分析法在桥梁评估中的作用。在确信型判定矩阵的基础上，引入了不确信型判定矩阵及其相应的权重求解方式，使之能考虑评估中的不确信性和模糊性。在综合评估中引入群判定，

22、并用可信度来考虑不同专家的评判水平。杨那么英等人依照钢筋混凝土梁桥的受力特点成立了钢筋混凝土梁桥平安性评判模型，结合层次分析法确信各阻碍因素的权重，用“加权平均型”模糊综合评定方式评定桥梁的平安性品级，较好地反映钢筋混凝土梁桥的平安性状况，且评判结果简单直观。刘沐宇等人依据层次分析法的大体思想，成立了完整的大跨度钢管混凝土拱桥平安性评判模型及其指标体系，并引入模糊理论成立大跨度钢管混凝土拱桥平安性模糊综合评判方式。同时，又将模糊理论与神经网络技术结合起来应用于大跨度钢管混凝土拱桥的平安性评判，成立了一种基于三层神经元的多用途量化模糊神经网络评判模型。任飞等人依据层次分析法的大体思想，在成立桥墩

23、平安性评判模型及其指标体系基础上，进一步引入模糊理论和神经网络技术，成立了大跨度钢管混凝土拱桥平安性智能评判系统。杨天军等人在综合分析国内外交通平安评判研究的基础上，针对我国城市道路交通平安的现状及存在问题，提出了采纳基础数据、交通平安治理、公众平安评判3个方面共13项指标组成的面向城市交通平安可持续进展的评判指标集，构建了基于BP神经网络的评判模型，并采纳MATLAB软件编制了智能化评判软件。李霞飞等人在总结国内外桥梁治理系统的进展和利用情形的基础上，提出了一个完备有效的桥梁平安监测与分析系统是由监测数据搜集系统、数据库治理系统和平安性评估系统等组成的有机整体的构思，并进一步确信了检测参数和

24、评估流程。宋廷新等人结合模糊集合论和两级模糊综合评估方式，采纳J2EE平台和B/S架构,开发了基于Struts框架的桥梁平安综合评定系统，提供了基于Web阅读器的用户界面，便于专家远程保护和治理。该系统可对桥梁平安性、耐久性等方面做出综合评定结论。尽管关于桥梁平安性评估方式的研究取得了必然的进展，但仍存在评判模型简单、指标体系不完整和评判结果较为粗糙等缺点。同时桥墩作为桥梁支撑的结构，是桥墩平安性和稳固性的重要组成部份，现有评判方式和评判指标过于简单，结果准确性有待提高，研究工作急需进一步开展。三、要紧研究内容及研究方式本项目的要紧研究内容有：（1）研究桥墩局部冲洗机理和局部冲洗深度的计算方式

25、，并在此基础上，通过成立模型和数值模拟等方式，进一步分析桥墩冲洗对桥墩平安性和稳固性的阻碍，同时通过操纵变量法对各要紧参数对桥墩冲洗稳固性的阻碍进行研究。（2）综合运用层次分析法、模糊综合评判等方式，提出桥墩平安性评判方式，成立一套科学合理的桥墩平安性指标评判体系，并制定桥墩平安品级评定标准。（3）在成立桥墩平安性指标评判体系的基础上，基于实时监测数据，成立桥墩平安性动态检测系统，完成了系统的整体结构设计和详细设计，实现系统对桥墩结构的实时检测和智能评估。四、抵达到的目标、功效形式及要紧技术指标本项目的预期功效要紧包括：（1）提出一个跨海大桥桥墩局部冲洗的利用数学模拟，给出桥墩局部冲洗的作用规

26、律。（2）成立一套科学合理的桥墩平安性指标评判体系，基于数据可准确评估桥墩的平安状态，制定桥墩平安品级的评定标准。（3）成立一个桥墩平安检测分析系统，系统能够快速、实时地检测桥墩当前工作状态，同时基于实测数据能够迅速做出桥墩动态平安性评判，为治理人员采取养护与维修方法提供客观依据。五、年度研究打算2020年相关研究的总结、整理成立桥墩冲洗模型2021年研究桥墩冲洗对桥墩平安性的阻碍规律程序编写与调试2013年成立桥墩平安性指标评判体系制定桥墩平安品级评定标准设计桥墩平安性检测评估系统项目结题六、前期工作基础课题组有较强的科研实力，为本课题研究工作的开展提供了强有力的保证。项目研究工作中数值计算

27、比重较大，课题组在软硬件方面的工作条件都可知足研究内容的要求。申请者从事海岸工程领域的研究工作十连年，积存了丰硕的体会，成立了一个相当规模的数值计算程序库，为开展本项目的研究工作打下了坚实的基础。同时课题组成员在相关研究领域的工作积存也为项目的开展制造了有力的条件。七、经费预算科目预算数备注1、人员费劳务费，按每年万元计算2、设备费仪器、数据分析及处理设备3、材料费4、测试化验加工费5、燃料动力费水电费6、差旅费按每年万元计算7、会议费按每年万元计算8、国际合作与交流费出国合作交流及境外专家来华交流的旅费、住宿费及其他费用9、出版/文献/信息传播/知识产权事务费国内外文献、论文版面费10、专家

28、咨询费11、管理费按规定5%合计参考文献：1Sumer, .; Christiansen, N.; Fredsoe, J. Horseshoe vortex and vortex shedding around a vertical wall-mounted cylinder exposed to waves. Journal of Fluid Mechanics, v 332, Feb 10, 1997, 41-702曹文洪，何少苓，方春明.，水利学报，2001，(1)3昌彦君，朱光喜，彭复员，朱耀庭，机载激光海洋测深技术综述，海洋科学，2002，(5)4昌彦君，彭复员，朱光喜，杨述斌，朱耀

29、庭， 海洋激光测深技术介绍，地质科技情报，2001，(3)5高祥宇，波流一起作用下的底部剪切力研究， 海洋工程，2005，(4) 6黄莹，佘昌莲，严仁军，海洋平台桩基的冲洗机理，船海工程，2006，(5) 7蒋焕章，公路水文勘测设计与水毁防治，北京：中邦交通出版社，20018练继建，赵子丹，波流共存场中全水深水流流速散布，海洋通报，1994，(03) 9凌建明，林小平，赵鸿铎，圆柱形桥墩周围三维流场及河床局部冲洗分析，同济大学学报（自然科学版）2007，35（5）10孙红，韩光，陶建华，波流彼此作用下沿垂向的水流结构及其实验验证水利学报，2001，(07) 11赵子丹，波浪与水流的彼此阻碍海洋

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