不同损伤状态下超大型浮式结构物在移动荷载与波浪耦合作用下的水弹性响应研究

针对受损超大型浮式结构物(VLFS)在波浪与移动荷载耦合作用下的动态响应问题，研究人员采用势流理论与欧拉-伯努利梁理论，结合旋转弹簧损伤模型，建立了时域分析方法。研究发现双轴车辆模型比单轴模型产生更大动力放大效应(DAF>1.6@10m/s)，损伤程度使位移幅值增加40%，为浮式基础设施全寿命周期安全评估提供了重要依据。

　　

随着沿海城市人口激增和土地资源紧张，超大型浮式结构物(VLFS)作为填海造陆的替代方案，在东京湾千兆浮体机场、韩国仁川浮式码头等工程中得到应用。这类结构物在波浪和车辆移动荷载共同作用下，其低抗弯刚度特性会引发显著的水弹性响应。现有研究多将车辆简化为集中力，且鲜少考虑结构损伤影响，而实际运营中的浮式基础设施常因长期海水侵蚀出现性能退化，亟需建立能同时考虑车辆-结构相互作用和损伤效应的分析方法。

上海交通大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表研究，通过势流理论模拟流体域，采用欧拉-伯努利梁理论描述结构行为，引入旋转弹簧模型表征损伤，运用Newmark-β法进行时域求解。研究验证了双轴车辆模型比传统单轴模型更能反映真实荷载效应，发现损伤程度(α₁)从0.8增至1.0时，单损伤梁最大竖向位移增加40%，五损伤(n=5)工况在完全损伤时出现10-15%的DAF异常升高现象。

问题定义与基本假设
建立包含损伤的浮式梁-两轴车辆-波浪耦合系统模型。结构损伤通过无量纲损伤指数α₁和位置参数β量化，车辆系统考虑簧上质量效应，流体域采用线性势流理论，满足自由表面和海底边界条件。

模型验证
对比未损伤VLFS在波浪中的响应与文献实验数据误差<5%，验证了移动荷载作用下动力放大系数(DAF)计算精度。损伤工况与有限元结果吻合良好，最大相对偏差7.2%。

数值研究

1. 车辆参数影响：双轴模型DAF比单轴高22%，簧上质量模型对荷载重量敏感度是集中力模型的3倍；
2. 结构损伤效应：α₁=1时位移幅值达完好状态的2.3倍，损伤位置β=0.3处出现最大响应突变；
3. 多损伤耦合：五损伤工况刚度累计退化导致固有频率下降18%，引发共振区DAF异常升高。

结论与意义
该研究首次系统揭示了损伤VLFS在移动荷载-波浪联合作用下的非线性响应机制，建立的时域分析方法能准确捕捉双轴车辆惯性效应与损伤累积的耦合影响。发现完全损伤状态下多损伤点的刚度退化可能引发反常动力响应，为浮式桥梁等基础设施的损伤预警提供了理论依据。国家自然科学基金(52478180)和海洋工程国家重点实验室(GKZD010089)资助的研究成果，对保障VLFS全寿命周期运营安全具有重要工程价值。