一 研究意义 沿海公路桥梁是交通运输系统的重要组成部分。与内陆区域桥梁不同，沿海桥梁易受到飓风、洪水、风暴潮等自然灾害的威胁。受损的公路桥造成交通中断，影响灾后的救援、修复及重建工作，造成巨大的经济、社会和生命损失。因此，准确分析桥梁在飓风引起的风暴潮及巨浪作用下的结构响应，并对其进行易损性和损失评估，已成为决策者关注的主要问题。另一方面，传统的经验公式预测模型虽可以估算波浪力大小，但无法精确分析支座受力状态及结构响应，因此对于复杂结构的研究存在局限性。鉴于此，本文建立一个基于三维空间动态分析的综合评估框架，以研究沿海桥梁在飓风波浪冲击下的结构响应、支座性能及倾覆破坏机理，并基于获得的结构响应对其易损性及长期损失进行评估。
一
研究意义
沿海公路桥梁是交通运输系统的重要组成部分。与内陆区域桥梁不同，沿海桥梁易受到飓风、洪水、风暴潮等自然灾害的威胁。受损的公路桥造成交通中断，影响灾后的救援、修复及重建工作，造成巨大的经济、社会和生命损失。因此，准确分析桥梁在飓风引起的风暴潮及巨浪作用下的结构响应，并对其进行易损性和损失评估，已成为决策者关注的主要问题。另一方面，传统的经验公式预测模型虽可以估算波浪力大小，但无法精确分析支座受力状态及结构响应，因此对于复杂结构的研究存在局限性。鉴于此，本文建立一个基于三维空间动态分析的综合评估框架，以研究沿海桥梁在飓风波浪冲击下的结构响应、支座性能及倾覆破坏机理，并基于获得的结构响应对其易损性及长期损失进行评估。
二
研究内容
1
基于三维CFD模型的波浪力计算
本研究利用ANSYS Fluent模块建立了计算桥梁波浪交互作用的三维CFD模型，如图1所示。整个流体计算域长140m，宽20.85m，高30m。平面ABCD设置为速度入口，利用UDF方程组在此入口造波。平面EFGH及AEHD设置为压力出口平面。在平面AEHD处施加一个大气压强。其余平面均设置为平整墙面。
图1 Ansys Fluent建模的三维CFD模型及边界条件
图2 (a) 香港理工大学水力实验室造波水槽; (b) T梁桥板模型
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基于FE模型的桥梁动态响应分析
为了探究波浪作用下的支座性能及结构响应，利用ANSYS Mechanical APDL模块建立了桥梁及支座的三维有限元模型（FE model），如图3所示。将桥板上各段受到的时程波浪荷载从CFD模型中提取出来，并以沿z轴均布的面荷载的形式施加在有限元模型中的相应位置。有限元模型中的支座约束方式参照实际工程中的桥梁设计来施加。支座设置在六根梁两端的底部，共计12个。所有的支座在y方向均设置为只受压支座，在x方向的约束施加在支座L3和R3处，在z方向的约束施加在支座R1-R6处。在FE模型中，采用SOLID65和COMBIN39分别模拟混凝土和支座约束。COMBIN模型的刚度设置为1×10^10N/m，SOLID65的弹性模量设置为3.524×10^4N/mm2，泊松比设为0.167，密度为2600kg/m3，张开裂纹的剪切传递系数为0.3，闭合裂纹的剪切传递系数为0.5。混凝土极限受压强度取37.1MPa，纵向抗拉应力取3.25MPa。
图3 桥梁有限元模型及支座约束
3
考虑倾覆作用的易损性模型
同时考虑波浪造成的力及倾覆力矩的影响，桥梁破坏的极限方程可以描述为
式中，C为结构承载能力，D为结构需求，P为桥梁破坏概率，下标F和M为力和倾覆力矩的作用。在考虑结构承载能力及需求的各个参数的不确定性后，并结合沿海区域气象记录数据，可以计算出桥梁在不同强度飓风影响下的破坏概率，如图4所示。为更清楚的显示波浪引起的倾覆力矩对结构性能的影响，考虑及不考虑倾覆作用的破坏概率曲线均在图中画出作为比较。总体来说，随着飓风的最大风速变大，造成的浪涌、波浪等级也越大，导致桥梁的破坏概率变大。通过比较可发现，忽略倾覆力矩的影响会低估桥梁在飓风波浪影响下的破坏概率（约10%）。基于破坏概率曲线和飓风发生概率，可评估桥梁结构受飓风影响的长期损失。
图4 考虑及不考虑倾覆作用的破坏概率曲线
4
长期损失评估
桥梁的长期损失由通过对某一强度飓风的发生概率及该强度下用于修复（或重建）桥梁的花费的乘积累加计算得到。同时考虑未来发生损失的折算率，桥梁受飓风影响的长期损失可以计算为
式中，LTL为总长期损失；Li为第i次飓风造成的经济损失；Ti为第i次飓风发生的年份；Pi为第i次飓风下结构的破坏概率；Lr为桥梁上部结构替换的花费；r为用来将未来损失转换为当前损失的折算率，在本研究中取2%。同时，本研究中利用齐次泊松过程来考虑长期损失评估中灾害发生的随机性，其中灾害发生的时间间隔呈指数分布，发生的次数呈泊松分布。长期损失的期望E[LTL(tint)]可被推导为
图5展示了不同研究时域内考虑及不考虑倾覆作用的长期期望损失比较。可以观察到，虽然20年一遇的台风造成的单次损失较小，但发生频率较高，因此会在桥梁生命周期内造成较高的长期损失。另一发面，500年一遇的台风则因为其发生概率较小，因此总的长期损失也最低。通过比较图5a和5b观察到，不考虑倾覆破坏模式的影响会低估长期损失约20%~30%。
图5 考虑及不考虑倾覆作用的长期期望损失比较
三
研究结论
本研究基于三维空间动态数值模拟，提供了一个计算沿海桥梁在飓风灾害影响下的易损性及长期损失评估框架。建立了三维CFD模型来研究波浪桥梁相互作用，并建立了一个桥梁有限元模型以进一步计算波浪冲击下的支座性能及结构响应。根据数值模拟结果，并结合支座性能、波浪力及倾覆力矩的影响，建立了概率易损性模型。考虑了波浪参数、结构性能及材料属性引起的不确定性及其后果。计算了易损性曲线，并评估了桥梁受飓风影响的长期破坏损失期望。
基于数值模拟结果，建立了综合考虑波浪力、倾覆力矩及支座约束影响的桥梁易损性模型。比较了考虑与不考虑倾覆影响的易损性分析和长期损失评估。结果表明，忽略倾覆效应不能完全预测不同飓风情景下的桥梁破坏概率，这会导致低估长期损失20%至30%。因此，在制定沿海桥梁应对飓风的策略时，应慎重考虑倾覆力矩及支座约束的影响。本文所提出的研究框架详细研究了飓风波浪作用下沿海桥梁的性能。未来研究将主要考虑其他类型的公路桥梁及气候变化的影响。
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知识点：飓风灾害下考虑倾覆破坏模式的沿海桥梁长期损失评估
