風(fēng)暴潮、浪作用下中小型跨海橋梁破壞形式與數(shù)值模擬研究

王玉琦

(中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司，江蘇 無錫 214028)

跨海橋梁在沿海交通建設(shè)中具有重要作用，是國家經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈上的關(guān)鍵和重大基礎(chǔ)設(shè)施[1-2]。截至2016年底，東海大橋、杭州灣跨海大橋、舟山跨海連島工程、青島海灣大橋和港珠澳大橋相繼建成。大量中小型跨海橋梁也遍布中國東南沿海地區(qū)。中國東南沿海地區(qū)普遍受到西北太平洋臺風(fēng)生成區(qū)和東亞季風(fēng)區(qū)的影響，臺風(fēng)、寒潮等惡劣天氣引發(fā)的極端波浪災(zāi)害頻發(fā)[3]。臺風(fēng)伴隨的強(qiáng)風(fēng)和氣壓驟變，除了引發(fā)巨浪之外，還會(huì)引起海面的劇烈震蕩、海面的異常升高或降低，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的風(fēng)暴潮[4-5]。由于中國沿海地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)常年受臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪的影響，所以探究臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪共同作用下跨海橋梁的破壞機(jī)理對跨海橋梁的設(shè)計(jì)具有重要意義?，F(xiàn)場災(zāi)后調(diào)研，是研究災(zāi)害機(jī)理的重要手段。2005年Katrina颶風(fēng)造成了美國墨西哥灣沿岸數(shù)十座高速公路橋梁損壞[2,6-7]，Okeil等[8]現(xiàn)場調(diào)研了部分橋梁的橋梁損壞形式，為臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪共同作用橋梁損壞研究提供了寶貴的資料。徐淑頌[9]通過現(xiàn)場調(diào)研，研究了海洋環(huán)境因素對沿海公路橋梁的影響，并提出了相應(yīng)的防治對策。

橋梁結(jié)構(gòu)通常由上部結(jié)構(gòu)、支座和下部結(jié)構(gòu)3部分組成，上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間采用支座結(jié)構(gòu)傳遞力學(xué)行為。對于小跨徑的預(yù)制橋梁，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)由于臺風(fēng)及風(fēng)暴潮造成損壞時(shí)，可進(jìn)行更換，對災(zāi)后救援和重建影響較??；但下部結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞時(shí)，災(zāi)后工作將受到嚴(yán)重制約，故跨海橋梁下部結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)性損壞的要求較上部結(jié)構(gòu)更為嚴(yán)格[8]。風(fēng)暴潮是強(qiáng)烈的大氣擾亂造成的海面異常升高現(xiàn)象(如強(qiáng)風(fēng))[10]。臺風(fēng)、風(fēng)暴潮期間，風(fēng)暴潮對波浪作用的橋梁下部結(jié)構(gòu)波浪荷載分布有顯著影響。鄧江源[11]對現(xiàn)有的跨海大橋下部結(jié)構(gòu)波浪力的計(jì)算方法進(jìn)行了比較研究。房忱等[12]研究了跨海大橋樁基、橋墩等小尺度下部結(jié)構(gòu)波浪荷載的非線性特性，研究發(fā)現(xiàn)，對于淺水區(qū)的橋墩，非線性波的非線性作用較為顯著，與采用Morison方程確定的線性波波浪力有14%的差異。由于中小跨徑跨海橋梁大多修建在近海淺水區(qū)域，波浪、波浪荷載的非線性顯著，采用Morison方程可能低估了波浪荷載，同時(shí)，已有研究[13-15]大多局限于研究不同下部結(jié)構(gòu)類型、不同波浪入射方向角、不同波浪條件等下部結(jié)構(gòu)波浪力的計(jì)算方法及規(guī)律，較少關(guān)注不同風(fēng)暴潮增水情形對下部結(jié)構(gòu)波浪力的影響。因此，研究臺風(fēng)風(fēng)暴潮期間不同水位下的波浪對下部結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律，對跨海橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

筆者調(diào)研了歷史臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪共同作用下中小型跨海橋梁破壞情況，分析了臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪共同作用下跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的破壞原因；為獲得臺風(fēng)風(fēng)暴潮期間不同水位下的波浪對下部結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律，開展了CFD三維數(shù)值模擬，探討了不同風(fēng)暴增水對波浪作用橋墩的影響，提出了風(fēng)暴潮、浪作用下中小型跨海橋梁的設(shè)計(jì)與施工建議。

1 橋梁結(jié)構(gòu)破壞形式調(diào)研及成因分析

根據(jù)美國沿海橋梁在2005年Katrina颶風(fēng)期間在臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪的共同作用下橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生的結(jié)構(gòu)損傷特征，可將上部結(jié)構(gòu)的破壞形式分為梁體移位、梁體脫落和梁體斷裂等；下部結(jié)構(gòu)的破壞形式可分為結(jié)構(gòu)偏移、倒塌及蓋梁連接失效等。每種破壞形式的形成原因有所不同。

1.1 上部結(jié)構(gòu)梁體移位

梁體移位主要是由于臺風(fēng)引起的風(fēng)暴潮沖擊梁體，使梁體發(fā)生了沿橫橋向的位移。梁體移位原因如圖1所示。由圖1可知，對于沿海橋梁而言，梁體主要受到兩個(gè)方向的力，一個(gè)是沿橫橋向的沖擊力，另一個(gè)是沿豎向的浮力。當(dāng)風(fēng)暴潮到達(dá)梁位，梁體部分或整體被淹沒，梁體將受到豎向的浮力，浮力的存在削弱了梁體與支座之間沿橫橋向的抗力，使梁體在橫橋向的沖擊力下更容易被推動(dòng)，此時(shí)，梁體保持完好，但喪失通行能力。

圖1 梁體移位(脫落)成因Fig.1 Cause of beam displacement

1.2 上部結(jié)構(gòu)梁體脫落

梁體脫落指部分梁體被整體完好地推落至海域里，出現(xiàn)脫落現(xiàn)象[8]。出現(xiàn)該種破壞形式的原因與梁體移位類似，主要是由于豎向浮力高于橫向沖擊力而先使梁體脫離支座約束，再在橫向沖擊力的作用下出現(xiàn)脫落破壞。

1.3 上部結(jié)構(gòu)梁體斷裂

沿海橋梁在臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪的共同作用下出現(xiàn)的梁體斷裂主要出現(xiàn)在跨中位置[8]。該破壞形式主要是由于臺風(fēng)引起的海面異常升高和降低，使海面時(shí)高時(shí)低。當(dāng)支座不具備抗拉能力或抗拉能力較弱時(shí)，梁體在浮力的作用下時(shí)而上升、時(shí)而降落，在反復(fù)循壞作用下?lián)p壞。對于簡支梁橋而言，跨中彎矩最大，最容易進(jìn)入極限狀態(tài)，出現(xiàn)塑性破壞，如圖2所示。

圖2 梁體斷裂成因圖Fig.2 Cause diagram of fracture of beam

橋梁上部結(jié)構(gòu)還包括橋面構(gòu)造。橋面構(gòu)造主要包括橋面鋪裝、排水防水系統(tǒng)、人行道、路緣石、欄桿、護(hù)欄、照明燈和伸縮縫等。欄桿、護(hù)欄和照明燈阻水面積較大，水動(dòng)力效應(yīng)顯著，所以，在風(fēng)暴潮的作用下較容易發(fā)生損壞；護(hù)欄結(jié)構(gòu)目前很少進(jìn)行具體計(jì)算設(shè)計(jì)，其考慮最多的因素是車輛的撞擊力[16]，護(hù)欄設(shè)計(jì)通常只布置了抵抗汽車撞擊的頂部鋼筋，沒有設(shè)置抵抗來自外部沖擊的底部鋼筋，當(dāng)護(hù)欄承受風(fēng)暴潮沖擊時(shí)，由于阻水面積大，又沒有設(shè)計(jì)抵抗外部沖擊力的構(gòu)造，容易造成護(hù)欄與橋面板的連接失效，如圖3所示。

圖3 護(hù)欄結(jié)構(gòu)破壞形式[8]Fig.3 Damage form of guardrail

從橋梁上部結(jié)構(gòu)的損傷可以看出，梁體在臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪作用下發(fā)生損壞的原因大部分都可以歸結(jié)于梁體無約束運(yùn)動(dòng)。所以，支座的設(shè)計(jì)對上部結(jié)構(gòu)的安全具有重要意義。對于跨海橋梁，為了適應(yīng)臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、雷暴等極端災(zāi)害性天氣，跨海橋梁支座不僅要適應(yīng)橋梁的變形行為，還要考慮極端災(zāi)害的影響。

1.4 下部結(jié)構(gòu)破壞

橋梁下部結(jié)構(gòu)是支撐上部結(jié)構(gòu)的建筑物，包括橋墩、橋臺和墩臺基礎(chǔ)。由于跨海橋梁橋墩的墩基礎(chǔ)直接立于海中，受到臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪的影響更加直接。公路橋墩大部分為圓形橋墩、矩形橋墩，鐵路橋墩大部分為圓端形橋墩。橋墩的阻水面積較小，對水流還有引導(dǎo)作用，抵抗臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪的能力較強(qiáng)，但在極端的臺風(fēng)風(fēng)暴潮和浪作用下也可能發(fā)生損傷，其破壞形式如圖4所示。

圖4 下部結(jié)構(gòu)損傷破壞形式[8]Fig.4 Damage and failure modes of

由圖4可知，臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪對橋梁下部結(jié)構(gòu)的破壞極為嚴(yán)重。沿海橋梁下部結(jié)構(gòu)為柱式橋墩時(shí)，在臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪的作用下，柱發(fā)生了移位、倒塌、開裂、傾斜及柱與蓋梁連接失效等損壞形式。破壞的原因主要有水動(dòng)力顯著、上部結(jié)構(gòu)撞擊、下部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重沖刷等。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性損傷的位置為蓋梁和柱的連接處，這里是抗震設(shè)計(jì)中布置塑性鉸的位置，所以，不能排除臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪對結(jié)構(gòu)的作用為周期性的作用。從部分柱的傾斜和移位也可以發(fā)現(xiàn)，在臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪的短時(shí)間作用下，柱底周圍發(fā)生了嚴(yán)重的沖刷。

橋梁下部結(jié)構(gòu)施工工期長，對于深海橋梁還具有施工難度大等特點(diǎn)，當(dāng)橋梁下部結(jié)構(gòu)發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷無法使用時(shí)，會(huì)嚴(yán)重制約線路的搶修。風(fēng)暴潮引起的橋墩沖刷值得進(jìn)行深入研究，并需要采用有效的防護(hù)措施來保護(hù)橋墩，使其免于遭受嚴(yán)重沖刷。同時(shí)，需加強(qiáng)橋墩與蓋梁之間的連接，使橋墩和蓋梁在風(fēng)暴潮的作用下不至于連接失效。

2 風(fēng)暴潮、浪作用下橋梁下部結(jié)構(gòu)受力數(shù)值模擬

下部結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞時(shí)，災(zāi)后工作將受到嚴(yán)重制約。采用CFD分析軟件Flow-3D，通過選用不同的水位模擬不同的風(fēng)暴增水情形，研究風(fēng)暴潮、浪作用下橋梁下部結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。假設(shè)水位對波浪沖擊橋墩的影響即風(fēng)暴潮對波浪沖擊橋墩的影響，不考慮風(fēng)暴潮和波浪的非線性耦合。在數(shù)值計(jì)算中，考慮水體為連續(xù)不可壓縮粘性流體，通過雷諾時(shí)均法求解流體連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程(RANS方程)，得到流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)，采用k-ω模型考慮水體的湍流。很多文獻(xiàn)都對RANS方程、k-ω模型等流體計(jì)算方法進(jìn)行了介紹[17]，本文不再贅述。數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)的橋梁下部結(jié)構(gòu)為半徑(D/2)1.8 m的近海圓形橋墩，未進(jìn)行縮尺；波浪選用孤立波，共設(shè)計(jì)了孤立波波高(H)分別為3、5、7 m，水深(d)分別為10、12、15 m的9個(gè)數(shù)值試驗(yàn)工況。

先建立如圖5所示的三維數(shù)值水槽。在兼顧數(shù)值準(zhǔn)確性的前提下，采用嵌套網(wǎng)格方式節(jié)約計(jì)算資源。數(shù)值水槽長150 m、寬20 m、高20 m，在入口側(cè)選用源入口造波法進(jìn)行造波，并在出流側(cè)設(shè)置消波塊進(jìn)行消波。數(shù)值水槽的邊界條件設(shè)置為：前側(cè)為波浪邊界，后側(cè)為出流邊界，兩側(cè)為對稱邊界，上側(cè)為壓力邊界(大氣壓)，下側(cè)為墻邊界。為驗(yàn)證所建立數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，采用波高為5 m，水深分別為10、12、15 m的數(shù)值波形與理論波形進(jìn)行對比。數(shù)值波形取水槽前端3 m處水質(zhì)點(diǎn)的波動(dòng)軌跡，對比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，數(shù)值水槽造波波形與理論波形吻合良好，其中水深10 m、波高5 m時(shí)，造波的最大波高衰減2.2%；水深12 m、波高5 m時(shí)，最大波高衰減1.6%；水深15 m、波高5 m時(shí)，最大波高衰減0.5%，說明造波受破碎指標(biāo)H/d(波高/水深)的影響。在同一網(wǎng)格下，破碎指標(biāo)越大，造波的最大波高誤差越大，當(dāng)達(dá)到破碎臨界時(shí)，孤立波將發(fā)生破碎?？傮w而言，數(shù)值水槽造波波形與理論波形吻合良好，滿足研究需求。在正式開展數(shù)值試驗(yàn)時(shí)，將模型置于水槽中部，如圖5所示。

圖5 數(shù)值水槽示意圖Fig.5 Diagram of numerical calculation of

圖6 數(shù)值波形驗(yàn)證Fig.6 Validation of numerical

3 不同風(fēng)暴增水下橋梁下部結(jié)構(gòu)的波浪力

各工況數(shù)值模擬得到的水平波浪力、縱向彎矩(矩矢垂直波浪前進(jìn)方向)如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知，最大水平波浪力隨著水深的增加而減??；除水深10 m、波高7 m的工況，最大縱向彎矩隨著水深的增加而增加，最大水平波浪力與最大縱向彎矩幾乎發(fā)生在相同時(shí)刻。

圖7 水平波浪力時(shí)程Fig.7 Horizontal wave force time

圖8 縱向彎矩時(shí)程Fig.8 Longitudinal moment

孤立波的性質(zhì)由破碎指標(biāo)H/d決定，不少學(xué)者給出的H/d的極限值介于0.714～1.03之間，常用值為0.78[18]。對于水深10 m、波高7 m的工況，其破碎指標(biāo)H/d=0.7，臨近破碎，所以，水平波浪力和縱向彎矩時(shí)程較為陡峭，最大水平波浪力與最大縱向彎矩較破碎指標(biāo)H/d較小的工況大很多。波浪破碎時(shí)與結(jié)構(gòu)物作用，伴隨著更劇烈的能量交換[19]，所以，沿岸工程應(yīng)更關(guān)注破碎波與結(jié)構(gòu)物之間的響應(yīng)；但這不是討論的重點(diǎn)，本文僅討論未臨近破碎的波浪與結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)，對臨近破碎的工況10-7(10-7代表水深為10 m、波高為7 m的工況)進(jìn)行了剔除，只關(guān)心未臨近破碎的孤立波作用圓形橋墩的受力規(guī)律。

為得到未破碎(H/d較小)的孤立波作用圓形橋墩的受力規(guī)律，采用無量綱分析的方法建立了無因次的最大水平波浪力、最大縱向彎矩力矩與破碎指標(biāo)(H/d)的關(guān)系，如圖9、圖10所示。無因次的最大水平波浪力采用指數(shù)形式擬合，最大縱向彎矩力矩采用線性擬合，擬合結(jié)果如圖9、圖10及式(1)、式(2)所示。采用式(1)、式(2)、式(3)即可進(jìn)行未臨近破碎的孤立波作用圓形橋墩的最大波浪力及最大彎矩計(jì)算，這將有助于近海工程結(jié)構(gòu)波浪荷載的初步估計(jì)。

圖9 最大水平波浪力擬合Fig.9 Fitting results of maximum horizontal wave

圖10 最大縱向彎矩力矩?cái)M合Fig.10 Fitting results of maximum longitudinal

(1)

(2)

Mymax=Fxmax×L

(3)

式中：ρ為水的密度；g為重力加速度；D為圓形橋墩直徑；L為最大縱向彎矩力矩。

4 結(jié)論與設(shè)計(jì)施工建議

根據(jù)臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪共同作用下中小型跨海橋梁破壞情況調(diào)研，分析了臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪共同作用下跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的破壞原因，并開展了CFD三維數(shù)值模擬，探討了不同風(fēng)暴增水對波浪作用橋墩的影響，得到以下結(jié)論：

1)根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)破壞形式調(diào)研，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴潮、浪作用下跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)的破壞形式主要有梁體離位、梁體脫落和梁體斷裂，主要原因?yàn)轱L(fēng)暴潮伴隨的海面異常升降、風(fēng)暴潮的沖擊力過大、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理(阻水面積大、上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)連接欠考慮)導(dǎo)致中小跨徑跨海橋梁梁體在臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪共同作用下被迫發(fā)生無約束運(yùn)動(dòng)。

2)根據(jù)橋梁下部結(jié)構(gòu)破壞形式調(diào)研，發(fā)現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)破壞主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)偏移、倒塌以及蓋梁連接失效破壞，主要原因?yàn)橄虏拷Y(jié)構(gòu)嚴(yán)重沖刷、水動(dòng)力顯著、上部結(jié)構(gòu)撞擊。

3)橋梁下部結(jié)構(gòu)最大水平波浪力隨著水深的增加而減??；最大縱向彎矩在未臨近破碎的波浪作用下隨著水深的增加而增加。給出了不同風(fēng)暴增水下近海波浪作用下橋墩的最大波浪力、最大縱向彎矩力矩的經(jīng)驗(yàn)公式，在確定橋墩直徑、橋址水深、來波波高、天文潮+風(fēng)暴潮總水位后，即可對橋墩受到的波浪力進(jìn)行簡單的初步估計(jì)。

在臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪的共同作用下，橋梁受力是一個(gè)復(fù)雜的空間問題；浮力、各方向的沖擊力都是造成橋梁損壞的因素。為了使跨海橋梁免遭嚴(yán)重破壞，必須制定合理的解決對策，但一味地增大結(jié)構(gòu)抗力不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)臺風(fēng)風(fēng)暴潮、浪共同作用下的橋梁破壞分析，可采取如下對策：

1)采用阻水面積較小的護(hù)欄，采用帶有孔洞的橋面板，釋放橋面板下聚積的空氣和壓力。

2)妥善處理上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接，使支座在豎向、橫向都具有耗能能力，并允許具有一定的位移；為了保護(hù)下部結(jié)構(gòu)，允許在一定沖擊力下發(fā)生剪切破壞。

3)采用具有導(dǎo)流作用的橋墩，以減少風(fēng)暴潮的沖擊力。

4)設(shè)置防護(hù)裝置，如在橋墩周圍設(shè)置防波堤等。

5)加大基礎(chǔ)埋深，對橋墩發(fā)生的局部沖刷進(jìn)行防護(hù)。