Nghiên cứu các lực sóng tác động lên cấu trúc thượng tầng dạng hộp của cầu ven biển trong điều kiện ngập nước dựa trên lý thuyết dòng chảy tiềm năng

Advances in Bridge Engineering - Tập 1 Số 1 - 2020
Bo Huang1, Qingyang Ren1, Xiaolu Cui2, Jiawei Zhang3, Bing Zhu3
1State Key Laboratory of Mountain Bridge and Tunnel Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China
2School of Mechanotronics & Vehicle Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing, 400074, China
3Department of Bridge Engineering, School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031, China

Tóm tắt

Tóm tắtCấu trúc thượng tầng dạng hộp của các cây cầu ven biển rất dễ bị hư hại do sóng tác động trong trường hợp có độ thông thoáng nhỏ. Bài báo này đề xuất phương pháp phân tích để ước lượng các lực sóng tác động lên cấu trúc thượng tầng dạng hộp của cầu ven biển dựa trên lý thuyết dòng chảy tiềm năng. Trước tiên, bài toán hai chiều của cấu trúc thượng tầng dạng hộp dưới tác động của sóng được xác định với một số điều kiện đơn giản hóa cần thiết. Sau đó, các nghiệm phân tích được giải bằng phương pháp khớp hàm riêng, và lực sóng tác động lên cấu trúc thượng tầng dạng hộp bị ngập nước được tính toán sử dụng nguyên lý Bernoulli. Sau khi xác nhận độ chính xác của phương pháp đề xuất thông qua các phép tính trước đó và thử nghiệm thực nghiệm, ảnh hưởng của loại dầm và cấu hình kết cấu lên các lực sóng của dầm hộp bị ngập nước được thực hiện bằng phương pháp phân tích đề xuất. Kết quả cho thấy loại dầm có ảnh hưởng đáng kể đến các lực sóng của cấu trúc thượng tầng bị ngập nước, và ảnh hưởng của các thông số kết cấu khác nhau cần được xem xét một cách toàn diện trong thiết kế an toàn kết cấu dưới tác động của sóng. Những kết quả của nghiên cứu hiện tại có thể cung cấp một tài liệu tham khảo hữu ích cho việc ước lượng các lực sóng và thiết kế kết cấu của thượng tầng dạng hộp của cầu ven biển.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Bradner C, Schumacher T, Cox D, Higgins C (2011) Large-scale laboratory observations of wave forces on a highway bridge superstructure. OTREC RR-11-10. Transportation Research and Education Center (TREC), Portland

Bricker JD, Nakayama A (2014) Contribution of trapped air, deck superelevation, and nearby structures to bridge deck failure during a tsunami. J Hydraul Eng 140(5):05014002

Cuomo G, Shimosako K, Takahashi S (2009) Wave-in-deck loads on coastal bridges and the role of air. Coast Eng 56(8):793–809

Douglass S, Chen Q, Olsen J, Edge B, Brown D (2006) Wave forces on bridge decks. Final rep for U.S. Dept of transportation, Federal Highway Administration, Office of Bridge Technology, U.S. Dept of transportation, Washington DC

Douglass SL, Krolak J (2008) Highways in the coastal environment. Publication no FHWA-NHI-07-096 Office of Bridge Technology Federal Highway Administration, Washington DC

Fang Q, Hong R, Guo A, Li H (2019a) Experimental investigation of wave forces on coastal bridge decks subjected to oblique wave attack. J Bridg Eng 24(4):04019011

Fang Q, Hong R, Guo A, Stansby PK, Li H (2018) Analysis of hydrodynamic forces acting on submerged decks of coastal bridges under oblique wave action based on potential flow theory. Ocean Eng 169:242–252

Fang Q, Yang C, Guo A (2019b) Hydrodynamic performance of submerged plates during focused waves. J Marine Sci Eng 7(11):389

Guo A, Fang Q, Li H (2015b) Analytical solution of hurricane wave forces acting on submerged bridge decks. Ocean Eng 108:519–528

Guo AX, Fang QH, Bai XD, Li H (2015a) Hydrodynamic experiment of the wave force acting on the superstructures of coastal bridges. J Bridg Eng 20(12):04015012.

Hayashi H (2013) Study on tsunami wave force acting on a bridge superstructure. Proc. 29th US-Japan bridge engineering workshop, Tsukuba

Hayatdavoodi M, Ertekin RC, Robertson IN (2015) Vulnerability assessment of coastal bridges on Oahu impacted by storm surge and waves. Nat Hazards 79(2):1133–1157

Hayatdavoodi M, Seiffert B, Ertekin RC (2014) Experiments and computations of solitary-wave forces on a coastal-bridge deck. Part II: deck with girders. Coast Eng 88:210–228

Huang B, Duan L, Yang Z, Zhang J, Kang A, Zhu B (2019a) Tsunami forces on a coastal bridge deck with a box girder. J Bridg Eng 24(9):04019091

Huang B, Yang Z, Zhu B, Zhang J, Kang A, Pan L (2019b) Vulnerability assessment of coastal bridge superstructure with box girder under solitary wave forces through experimental study. Ocean Eng 189:106337

Huang B, Zhu B, Cui S, Duan L, Cai Z (2018b) Influence of current velocity on wave-current forces on coastal bridge decks with box girders. J Bridg Eng 23(12):04018092

Huang B, Zhu B, Cui S, Duan L, Zhang J (2018a) Experimental and numerical modelling of wave forces on coastal bridge superstructures with box girders, part I: regular waves. Ocean Eng 149:53–77

Istrati D, Buckle I, Lomonaco P, Yim S, Itani A (2016). Large-scale experiments of tsunami impact forces on bridges: the role of fluid-structure interaction and airventing. In: The 26th International Ocean and polar engineering conference. ISOPE; Rhodes.

Istrati D, Buckle IG, Lomonaco P, Yim S, Itani A (2017) Tsunami induced forces in bridges: large-scale experiments and the role of air-entrapment. Coastal Eng Proc 1(35):30

McPherson RL (2008) Hurricane induced wave and surge forces on bridge decks m.Sc. Thesis. Texas A&M University, College Station

Mei CC, Black JL (1969) Scattering of surface waves by rectangular obstacles in waters of finite depth. J Fluid Mech 38(3):499–511

Motley MR, Wong HK, Qin X, Winter AO, Eberhard MO (2015) Tsunami-induced forces on skewed bridges. J Waterw Port Coast Ocean Eng 142(3):04015025

Motley MR, Wong HK, Qin X, Winter AO, Eberhard MO (2016) Tsunami-induced forces on skewed bridges. J Waterway, Port, Coastal, Ocean Eng 142(3):04015025

Qu K, Sun WY, Kraatz S, Deng B, Jiang CB (2020) Effects of floating breakwater on hydrodynamic load of low-lying bridge deck under impact of cnoidal wave. Ocean Eng 203:107217

Qu K, Tang HS, Agrawal A, Cai Y (2017) Hydrodynamic effects of solitary waves impinging on a bridge deck with air vents. J Bridg Eng 22(7):04017024

Qu K, Tang HS, Agrawal A, Cai Y, Jiang CB (2018) Numerical investigation of hydrodynamic load on bridge deck under joint action of solitary wave and current. Appl Ocean Res 75:100–116

Seiffert BR, Ertekin RC, Robertson IN (2014) Experimental investigation on the role of entrapped air on solitary wave forces on a coastal bridge deck. In: Proc. 33rd Int. Conf. On ocean, offshore and Arctic engineering, OMAE’14. ASME, San Francisco

Shoji G, Moriyama T (2007) Evaluation of the structural fragility of a bridge structure subjected to a tsunami wave load. J Nat Dis Sci 29(2):73–81. https://doi.org/10.2328/jnds.29.73

Xiao H, Huang WR, Chen Q (2010) Effects of submersion depth on wave uplift force acting on Biloxi Bay bridge decks during hurricane Katrina. Comput Fluids 39(8):1390–1400

Xu G, Cai CS (2014) Wave forces on Biloxi bay bridge decks with inclinations under solitary waves. J Perform Constr Facil 29(6):1–13

Xu G, Cai CS (2015) Numerical simulations of lateral restraining stiffness effect on bridge deck–wave interaction under solitary waves. Eng Struct 101:337–351

Xu G, Cai CS (2017) Numerical investigation of the lateral restraining stiffness effect on the bridge deck-wave interaction under stokes waves. Eng Struct 130:112–123

Xu G, Cai CS, Chen Q (2016a) Countermeasure of air venting holes in the bridge deck–wave interaction under solitary waves. J Perform Constr Facil 31(1):04016071

Xu G, Cai CS, Deng L (2016b) Numerical prediction of solitary wave forces on a typical coastal bridge deck with girders. Struct Infrastruct Eng 13(2):254–272

Xu G, Chen Q, Zhu L, Chakrabarti A (2017) Characteristics of the wave loads on coastal low-lying twin-deck bridges. J Perform Constr Facil 32(1):04017132

Yeh H, Francis M, Prterson C, Katada T, Latha G, Chadha RK, Singh JP, Raghuraman G (2007) Effects of the 2004 great Sumatra tsunami: southeast Indian coast. J Waterw Port Coastal Ocean Eng 133(6):382–400

Zhang J, Zhu B, Kang A, Yin R, Li X, Huang B (2020) Experimental and numerical investigation of wave-current forces on coastal bridge superstructures with box girders. Adv Struct Eng 23(7):1438–1453

Zhu M, Elkhetali I, Scott MH (2018) Validation of OpenSees for tsunami loading on bridge superstructures. J Bridg Eng 23(4):04018015