梁桥在持续洪水作用下的流体动力响应及累积位移损伤机制

《Ocean Engineering》：Hydrodynamic responses and cumulative displacement damage mechanism of beam bridges subjected to continuous flood actions

河湾桥梁在洪水冲击下的水动力响应及预应力接头累积损伤机制研究。采用任意拉格朗日-欧拉方法建立全尺寸连续梁桥数值模型并实验验证，分析不同水深和流速下桥墩、桥墩盖梁、主梁及支座的动态响应，揭示横向位移与加速度随水深增加的敏感性（水深每增40%，加速度增324倍），阐明由桥墩相对纵向位移引起的预应力钢绞线累积损伤机制，并基于疲劳损伤理论预测钢绞线疲劳寿命较钢筋短。

　　

刘中祥|牛世磊|郭通|钱静|王云鹏|潘志红

东南大学交通学院，南京，210096，中国

摘要

由于气候变化和河道狭窄，跨河桥梁面临严重的安全威胁，洪水频率增加且水流湍急。这些因素导致空间动态响应，包括变形、水动力压力和横向流动，从而对梁连接件和预应力接头造成累积性损伤，因为相邻子结构之间存在相对位移。本研究探讨了这种由洪水引起的水动力响应以及梁连接件和预应力接头的累积位移损伤机制。通过任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法创建了一个全尺寸连续梁桥模型，并通过实验进行了验证。然后，通过水动力模拟分析了空间动态响应。基于相邻桥墩之间的相对流动引起的横向振动，首次阐明了水动力累积位移损伤机制。最后，理论上计算了考虑累积位移的预应力筋的疲劳寿命。结果表明，上游桥墩的屏蔽效应可将下游桥墩的洪水冲击载荷降低约17%。梁的横向位移和加速度对水深非常敏感，当水深增加40%时，横向加速度增加了324倍。由于高应力状态，预应力筋的疲劳寿命明显短于拉筋。

引言

跨河桥梁是现代交通基础设施的重要组成部分（Dong等人，2023年；Ghaderi，2025年；Greco等人，2020年，2021年）。近年来，气候变化导致强降雨事件更加频繁，从而引发更严重的城市内涝和河流洪水（Fiorillo和Safa，2024年；Forte等人，2025年；Gautam和Dong，2018年；Li等人，2022年）。如图1(a)和(b)所示，这些灾害通常会导致水位显著上升和流速急剧增加。当桥梁下部结构长期受到高流速洪水的影响时，可能会在上部结构中引发多方向耦合振动（Niu等人，2025年）。随着时间的推移，累积效应可能导致上部结构错位甚至断裂，如图1(c)所示，严重影响桥梁的结构安全和服务性能。根据对全球1716起桥梁倒塌案例的分析（Wu等人，2025年），在美国、中国和其他国家，洪水引起的损伤分别占桥梁故障事件的约47.49%、58.17%和17.06%。此外，极端气候变化可能导致到2050年全球洪水灾害增加超过180%（Arnell和Gosling，2016年；Liu等人，2025b；Ren等人，2025年），从而显著增加跨河桥梁的洪水破坏风险。为了确保桥梁基础设施的安全和持续可用性，必须全面了解其在持续洪水条件下的动态响应和损伤机制。

近年来，许多研究致力于探讨桥梁部件在洪水冲击下的动态行为。早期研究主要依赖物理建模试验来探索洪水和桥梁部件之间的相互作用机制。例如，Arnason等人（Arnason，2005年）、Nouri等人（2010年）、Al-Faesly等人（2012年）和Kamra等人（2019年）通过水槽实验系统地分析了垂直柱周围的水动力力和流动行为。随着计算流体动力学的进步，后续研究采用了数值模拟和理论分析，通常假设刚体行为，进一步研究了流体力和结构动态响应的特性。值得注意的贡献包括Lau等人（2011年）、Pan等人（2016年）、Raad和Bidoae（2005年）、Gómez-Gesteira和Dalrymple（Gómez-Gesteira和Dalrymple，2004年）、Asadollahi等人（2019年）、Abed和Majeed（2020年）以及Cummins等人（2012年）的研究。Chen等人（Chen等人，2022年、2025c、2025b）创新性地使用了LS-DYNA软件中的不可压缩计算流体动力学（ICFD）模块来模拟流体-结构相互作用效应，系统研究了考虑桩-土相互作用和桥墩-水相互作用的桥墩的地震和水动力响应。研究目标后来从下部结构转向了上部结构。Xu和Cai（2015年）、Xu等人（2017年）以及Istrati（2017年）利用动态网格技术模拟了洪水冲击下梁的流场演变和力机制。同时，Zhu和Scott（Zhu等人，2018年）、Yang等人（2016年）以及Hu等人（2014年）记录了将基于粒子的有限元方法应用于水动力载荷下桥梁动态响应的数值模拟。然而，这些研究的一个共同简化是将桥墩支撑视为固定约束，并整体忽略了基础冲刷效应。

为了捕捉洪水波对整个桥梁系统的影响，Liu等人（2025a）和Niu等人（2025）采用了流体-结构相互作用模型，分析了部件级别的动态响应和失效机制。他们的结果表明，下部结构的相对位移可能是上部结构倒塌的关键触发因素。然而，这些研究仅限于单跨简支梁桥，并未涉及更复杂的结构系统，如多跨连续桥。此外，先前研究中对于桥梁在水动力载荷下的纵向动态行为关注有限。对于预应力混凝土桥，纵向循环运动引起的疲劳效应会加剧预应力损失（Huang等人，2025年；Huynh等人，2025年；Mariniello等人，2025年），主要是由于预应力筋在重复加载下的累积损伤。目前，尚不存在一个普遍接受的计算模型来量化预应力筋的疲劳损伤与由此产生的预应力损失之间的关系。现有的设计规范，如《中国混凝土结构设计规范》（2014年），主要考虑了由收缩和徐变引起的长期损失，但没有明确考虑由于疲劳导致的预应力减少。

为了解决上述研究空白，本研究采用了一座连续T型梁桥来研究其在洪水冲击下的动态响应。研究安排如下：第2节介绍了原型桥的结构细节和预应力损失机制。第3节详细阐述了数值研究的理论公式、模型建立和验证程序。第4节分析了桥址的水动力特性以及各种桥梁部件的动态响应，即桥墩、弯梁端帽、梁和支座。第5节基于识别的相对纵向位移和疲劳寿命预测方法，研究了预应力梁接头的累积损伤机制。

章节摘录

桥梁和预应力接头的描述

位于中国江苏省的林虹河桥因其位于易受洪水影响的地区而被选为研究对象。如图2(a)所示，该桥是一个简支-连续系统，跨度布置为10米+15米+15米+10米。桥梁部件的关键尺寸如下：桥墩高度为7米，弯梁端帽高度为1米，梁高度为1.78米。图2(b)显示，30米的桥跨采用了预应力钢筋混凝土

控制方程

在任意拉格朗日-欧拉（ALE）框架中，引入了一个任意的参考坐标系。在这个框架内，任意函数g关于参考坐标的材料时间导数可以表示为：