規(guī)則波的波浪參數(shù)對(duì)深水橋墩波浪力的影響分析

左生榮， 譚博夫， 楊吉新

(1.湖北省路橋集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢　430056；　2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢　430063)

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規(guī)則波的波浪參數(shù)對(duì)深水橋墩波浪力的影響分析

左生榮1， 譚博夫1， 楊吉新2

(1.湖北省路橋集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢430056；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢430063)

針對(duì)波浪對(duì)深水橋墩的作用，不同波浪參數(shù)的形式對(duì)深水橋墩波浪力的影響大小和程度各不相同，這就需要對(duì)深水橋墩在設(shè)計(jì)和施工階段需要采取有效的應(yīng)對(duì)方法。以CFD數(shù)值計(jì)算的方法為基礎(chǔ)，對(duì)大直徑圓形的深水橋墩在不同波長(zhǎng)和波高的三維波浪參數(shù)條件下受到的波浪力分別進(jìn)行了計(jì)算，并得到了各自的大小，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明波長(zhǎng)和波高的規(guī)則的增長(zhǎng)，波浪力也基本上呈規(guī)則的變化，并且波浪力在墩柱自由水面下垂直深度方向的分布上是逐步減小的，到達(dá)某一深度減小為零，同時(shí)波長(zhǎng)和波高的增加都會(huì)擴(kuò)大波浪力在墩柱上的影響范圍。

規(guī)則波； 波浪參數(shù)； 大尺寸橋墩； 波浪力

1　概述

隨著國(guó)內(nèi)跨海大橋的建設(shè)迅猛發(fā)展，對(duì)于橋梁水下結(jié)構(gòu)的橋墩與流體的流固耦合研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，目前使用較多的是CFD數(shù)值計(jì)算方法[1]。在跨海橋梁的環(huán)境影響因素中，海浪對(duì)橋墩的作用是及其普遍的，其影響也是巨大的，因此對(duì)不同形式的波浪對(duì)橋墩的作用力的研究顯得尤為關(guān)鍵[2]。在理論研究中，規(guī)則波的形式是一種常見(jiàn)的形式，通過(guò)規(guī)則波浪對(duì)橋墩的作用來(lái)找到波浪力的規(guī)律，以此找到跨海大橋橋墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相應(yīng)的對(duì)策。另外，在深水橋墩的承臺(tái)施工中廣泛采用鋼圍堰的施工形式[3，4]，施工中波浪與鋼圍堰的作用對(duì)結(jié)構(gòu)的受力和施工的安全起到非常關(guān)鍵的作用，因此研究不同類(lèi)型的波浪形式對(duì)波浪力的影響規(guī)律是非常必要的[5]。

2　CFD數(shù)值計(jì)算方法介紹

在計(jì)算波浪力的各種方法中，CFD數(shù)值計(jì)算方法是研究波浪和墩柱結(jié)構(gòu)一種行之有效的方法。該方法在近些來(lái)得到了迅猛發(fā)展，其核心就是依賴(lài)于計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科，該法可以運(yùn)用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可以模擬現(xiàn)實(shí)的流體情況，研究其對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用[6]。該方法在越來(lái)越多的工程應(yīng)用中得到應(yīng)用和發(fā)展并取得跟理論方法和試驗(yàn)方法較為接近的結(jié)果。本文以CFD數(shù)值計(jì)算方法作為研究波浪與墩柱結(jié)構(gòu)作用的主要手段，通過(guò)改變波浪的參數(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，找出兩者在相互作用過(guò)程中的規(guī)律，最終找出對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響較大的因素。

本文選取的圓形橋墩截面直徑D為4.0 m，墩高H為30 m，水深(自由面)20 m，橋墩材料如表1所示。波長(zhǎng)是10 m，波高是0.4 m，波浪周期T為2.53 s，數(shù)值方法中海水體密度為 1030 kg/m3。傳播方向從左至右沿x軸正方向。

表1 圓形墩柱材料參數(shù)表Table1 Materialparametertableofcircularpiercolumn參數(shù)數(shù)值墩柱密度(ρp)/(kg·m-3)2550彈性模量(E)/Pa3.1×1010泊松比(γ)0.2

2.1計(jì)算參數(shù)設(shè)置

在有限元理論上，對(duì)于計(jì)算域的邊界條件一般取無(wú)窮遠(yuǎn)處，但受限于計(jì)算條件，一般假定對(duì)于流體水槽的計(jì)算域的選擇一般是假定結(jié)構(gòu)距入口和出口距離都是5D(D表示圓形墩柱體橫截面的直徑)，本模型為了保證流體的運(yùn)動(dòng)得到充分的發(fā)展，取值的范圍是10D[7]。

運(yùn)用ANSYS workbench中FLUENT模塊進(jìn)行建模計(jì)算，水槽的計(jì)算域?yàn)?0 m×40 m×32 m，網(wǎng)格劃分如圖1，圖2所示。

圖1　圓形墩柱截面網(wǎng)格示意圖Figure 1　Grid schematic diagram of circular pier column section

圖2　計(jì)算域網(wǎng)格效果整體示意圖Figure 2　Schematic of the computational domain grid effect

2.2波浪與圓形墩柱作用

圖3給出了一個(gè)波浪周期內(nèi)波浪與大直徑圓形墩柱相互作用的的波面變化圖，由圖可以看出: 波浪從開(kāi)始出發(fā)到波峰和波谷分別經(jīng)過(guò)圓形墩柱時(shí)的情況。波浪從左至右沿x軸正方向傳播。

圖3　某時(shí)刻波浪與圓形墩柱相互作用的波面變化圖

Figure 3Wave surface change maps of wave and circular pier column interaction at a certain time

2.3大直徑圓墩上波浪力分析

通過(guò)計(jì)算可以求得不同時(shí)刻作用在直徑4 m圓形墩柱上的波浪力，把水平方向的波浪力繪成如圖4所示的波浪力時(shí)程曲線(xiàn)。從圖中可以看出波浪從開(kāi)始進(jìn)入到經(jīng)過(guò)大約5 s后趨于穩(wěn)定，波浪力的振幅整體上保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)[8]。波峰作用時(shí)最大波浪力是23187.9 N，為正值；波谷作用時(shí)的最大波浪力是-23880 N，為負(fù)值。波浪力的周期與波浪周期基本保持一致[9，10]。

圖4　大直徑圓形墩柱x方向波浪力時(shí)程曲線(xiàn)Figure 4　Time-history curve of X direction wave force on large diameter circular pier column

3　波浪參數(shù)對(duì)波浪力影響的分析

對(duì)于規(guī)則線(xiàn)性波浪，波浪參數(shù)主要體現(xiàn)在波長(zhǎng)和波高上，波長(zhǎng)和波高對(duì)波浪力大小的影響程度決定波浪參數(shù)對(duì)墩柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性。下面分別研究規(guī)則波參數(shù)中波長(zhǎng)和波高的變化對(duì)波浪力的影響以及變化規(guī)律。

3.1波長(zhǎng)對(duì)波浪力的影響

為了分析波長(zhǎng)對(duì)波浪力的影響，在10 m波長(zhǎng)的計(jì)算基礎(chǔ)上，在其它波浪參數(shù)不變的情況下分別把波長(zhǎng)變?yōu)?4 m和18 m。然后分別計(jì)算其作用在圓形墩柱上波浪力的大小。

波長(zhǎng)分別為14 m和18 m時(shí)，圓形墩柱受到的水平方向波浪力的時(shí)程曲線(xiàn)如圖5,圖6所示。

圖5　波長(zhǎng)14 m時(shí)水平方向波浪力時(shí)程曲線(xiàn)Figure 5　Time-history curve of the horizontal wave force on the wave length of 14 m

圖6　波長(zhǎng)為18 m時(shí)水平方向波浪力時(shí)程曲線(xiàn)Figure 6　Time-history curve of the horizontal wave force on the wave length of 18 m

從圖5,圖6中可以看出: 波長(zhǎng)為14 m時(shí)波峰最大波浪力是51993 N，波谷最大波浪力為-51477.3 N；波長(zhǎng)為18 m的規(guī)則波作用時(shí)的波峰最大波浪力是72931.6 N，波谷最大波浪力是-79099.2 N。

通過(guò)計(jì)算可發(fā)現(xiàn)，在其它參數(shù)不變的情況下，波長(zhǎng)從10 m增加至14 m，波峰的波浪力最大值增加了55.4%，波谷的波浪力最大值增加了53.6%；波長(zhǎng)從14 m增加至18 m時(shí)，波峰的波浪力最大值增加了40.3%，波谷的波浪力最大值增加了53.7%，波長(zhǎng)變化對(duì)波浪力的影響是比較顯著的，并且同一波長(zhǎng)的波峰與波谷的最大波浪力變化率基本保持一致。

由圖9可以看出:波長(zhǎng)和波浪力的變化關(guān)系，波浪力與波長(zhǎng)在一定的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出線(xiàn)性變化規(guī)律。

3.2波高對(duì)波浪力的影響

為了分析波高對(duì)波浪力的影響，在其它參數(shù)不變的情況下，把波高分別增加至0.6 m和0.8 m，然后分別計(jì)算其對(duì)圓形墩柱產(chǎn)生波浪力的大小。

波高是0.6 m和0.8 m時(shí)，作用于墩柱上水平波浪力的時(shí)程曲線(xiàn)，見(jiàn)圖7,圖8。

圖7　波高0.6 m時(shí)水平方向波浪力的時(shí)程曲線(xiàn)圖Figure 7　Time-history curve of the horizontal wave force on the wave height of 0.6 m

圖8　波高0.8 m時(shí)波浪力時(shí)程曲線(xiàn)圖Figure 8　Time-history curve of the horizontal wave force on the wave height of 0.8 m

從圖7,圖8中可以看出: 當(dāng)波高為0.6 m時(shí)，波峰作用于圓形墩柱的最大波浪力是55317.8 N，波谷作用時(shí)最大波浪力是-54663.3 N。相比波高是0.4 m(其它參數(shù)不變)時(shí)的波浪力，波峰最大波浪力增加了138.6%，波谷最大波浪力增加了128.9%。當(dāng)波高是0.8 m時(shí)，波峰作用于圓形墩柱時(shí)的最大波浪力是101553.6 N，波谷作用時(shí)最大波浪力是-90282 N。相比波高是0.6 m(在其它條件一致)時(shí)的波浪力，波峰最大波浪力增加了83.6%，波谷最大波浪力增加了65.2%。變化規(guī)律見(jiàn)圖9所示。波浪力與波長(zhǎng)在一定的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出線(xiàn)性變化規(guī)律。

圖9　不同波長(zhǎng)和波高對(duì)應(yīng)的最大波浪力圖Figure 9　The maximum wave graph corresponding to different wave length and wave height

4　波浪力在橋墩深度上的分布規(guī)律

選取參數(shù)波長(zhǎng)是10 m，波高是0.4 m的波浪與圓柱作用時(shí)，墩柱上不同深度上對(duì)應(yīng)的波浪力建立如圖10、圖11所示的坐標(biāo)系，得到波浪力隨深度變化的曲線(xiàn)。

圖10　波峰作用時(shí)波浪力隨水深的變化圖Figure 10　The wave force change chart with the depth when wave peak function

圖11　波谷作用時(shí)波浪力隨水深的變化圖 Figure 11　The wave force change chart with the depth when wave trough function

從圖10中可以看出: 當(dāng)波峰作用于墩柱時(shí)，在距離墩柱底部越高的迎浪側(cè)處，波浪力越大，產(chǎn)生最大波浪力的位置是在距離墩底部大約20.4 m的墩柱迎浪側(cè)上。波浪力在沿墩柱深度上越接近墩底的位置越小，一直到距離墩底大約15 m的位置上，此位置上的波浪力與最大波浪力相比可以忽略不計(jì)，在此深度以下各點(diǎn)的波浪力幾乎為零，說(shuō)明波浪力在該深度以下對(duì)墩柱幾乎沒(méi)有影響。波浪力從最大到零的深度范圍是從距離墩底20.4 m到距離墩底15 m的約5.4 m的區(qū)域。波谷作用于墩柱時(shí)的情況如圖11所示。

波高和波長(zhǎng)變大后，其對(duì)波浪力在橋墩深度上的分布規(guī)律與之前一致。以波高是0.6 m和波長(zhǎng)是14 m時(shí)的規(guī)則波作用時(shí)為例進(jìn)行說(shuō)明，在波峰作用下，墩柱上波浪力的分布情況如圖12、圖13所示。

圖12　波高0.6 m作用時(shí)波浪力隨水深的變化圖Figure 12　　　　The wave force variation map with water depth at wave height 0.6 m

圖13　波長(zhǎng)14 m作用時(shí)波浪力隨水深的變化圖Figure 13　　　　The wave force variation map with water depth at wave length 14 m

通過(guò)圖12、圖13可以看出: 波浪參數(shù)的波長(zhǎng)和波高變大后，波浪力在圓形墩柱垂直深度上的影響范圍也增大了。

這在深水橋墩下構(gòu)施工時(shí)，針對(duì)波浪力對(duì)諸如鋼圍堰等深水結(jié)構(gòu)的影響可采取有效的措施加以防范和改進(jìn)，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義[11]。

5　結(jié)論

本文研究了海洋工程中大尺度墩柱結(jié)構(gòu)在各種波浪作用下的規(guī)律，總結(jié)如下：

① 作用在墩柱上的水平方向波浪力的時(shí)程曲線(xiàn)與波浪周期基本一致，在一個(gè)周期內(nèi)，波峰作用于墩柱時(shí)出現(xiàn)正值的最大值，波谷作用時(shí)出現(xiàn)負(fù)值的最大值。

② 改變波長(zhǎng)和波高兩個(gè)波浪參數(shù)，結(jié)果顯示波長(zhǎng)分別是14 m和18 m(基本模型波長(zhǎng)是10 m)的波峰的最大波浪力比波長(zhǎng)是10 m和14 m 時(shí)分別增大了55.4%和40.3%；波谷的最大波浪力比波長(zhǎng)是10 m和14 m 時(shí)分別增大了53.6%和53.7%；當(dāng)波高分別為0.6 m和0.8 m(基本模型波高是0.4 m)的的波峰最大波浪力比波高為0.4 m和0.6 m時(shí)分別增大了138.6%和83.6%；波谷的最大波浪力比波高為0.4 m和0.6 m時(shí)分別增大了128.9%和65.2%。在一定范圍內(nèi)波長(zhǎng)和波高的變化與波浪力的變化近似的呈線(xiàn)性關(guān)系。

③ 波浪力在墩柱垂直深度上的分布規(guī)律：從自由液面由上向下沿著墩柱逐漸減小，在距離墩底某個(gè)深度后波浪力趨于零，波浪力從最大值到零的這個(gè)深度范圍較小，只占整個(gè)墩柱的長(zhǎng)度較小的一部分，并且隨著波長(zhǎng)和波高的變大，這個(gè)深度的影響范圍也相應(yīng)增大。

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Deep water Piers＇wave Forces Effect Analysis of Regular Wave Parameters

ZUO Shengrong1， TAN Bofu1，YANG Jixin2

(1.Hubei Provincial Road & Bridge CO.,LTD, Wuhan, Hubei 430056, China；2.School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan, Hubei 430063, China)

In view of the waves action with deep water piers, according to different wave parameters,the wave force influence is not identical, this problem needs take effective methods to solve in design and construction stage.In this paper, based on the method of CFD numerical simulation, the wave force of deep water piers under the different wave parameters condition is calculated respectively, and the value of the respective wave force is calculated.The numerical calculation results show that the wave force presents basically a rule change with the rules growth of wave length and wave height. Alone the free surface to the bottom of the pier,the wave force is gradually decreasing.Until reached to a certain depth,the wave force decreases to zero.At the same time,the wave force will expand the scope on the pier increasing the wave length and wave height.

regular wave; wave parameters; deep water pier; wave force

2015 — 03 — 11

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2007AA11Z107)

左生榮(1978 — )，男，江蘇姜堰人，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)物的診斷與加固。

U 443.22； TV 312

A

1674 — 0610(2016)04 — 0028 — 04