急流沖擊下大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力響應(yīng)分析

鄭 建,賈宏宇,吳煒昌,程 維,鄒作家,鄭史雄

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

引言

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主梁連續(xù)、墩身固結(jié)，因其跨越能力大、適應(yīng)性強(qiáng)、施工方法成熟等優(yōu)點(diǎn)，成為我國(guó)大跨徑梁式橋的主要橋型。剛構(gòu)橋在跨越江河湖泊時(shí)，其橋墩不可避免地常年受到水流沖擊，特別是一些建造在峽谷急流或溢洪道上的橋梁，水流流速很大，其橋墩受到的沖擊作用更加顯著，由水流沖擊導(dǎo)致橋梁損毀的事故常有發(fā)生。例如，2010年，西藏林芝地區(qū)八一大橋因河水暴漲引發(fā)水流集中沖刷橋墩，致使大橋西端一座橋墩發(fā)生垮塌，造成交通中斷；2015年，湖南岳陽(yáng)縣筻口大橋因暴雨引發(fā)洪水沖刷，導(dǎo)致橋墩發(fā)生移位，部分橋面斷裂下沉。熊文等[1]基于美國(guó)92座橋梁倒塌失效的原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按失效原因重新分類，結(jié)果表明，水文是橋梁失效的最主要原因，橋梁水毀占比達(dá)52.17%。水流沖擊作用造成的橋梁損毀事故使國(guó)民經(jīng)濟(jì)蒙受巨大的損失，因此，系統(tǒng)地研究水流沖擊下橋梁的動(dòng)力響應(yīng)是必要的。

眾多學(xué)者對(duì)水流沖擊橋墩的問(wèn)題進(jìn)行了研究。梅大鵬等[2]通過(guò)物理模型試驗(yàn)，得到承臺(tái)波流力與波浪力、水流力之和的比值(合成系數(shù))；NASIM等[3]探討了水流速度變化對(duì)施加在橋墩上的水動(dòng)力和壓力分布的影響；吳安杰等[4]利用數(shù)值仿真軟件ANSYS-CFX，提出了沖擊放大系數(shù)和沖擊效應(yīng)系數(shù)的概念，研究了洪水對(duì)橋墩瞬間沖擊效應(yīng)的大小與規(guī)律；鄧斌等[5]類比阿基米德原理，定量分析了繞流阻力與尾渦區(qū)之間的關(guān)系，推導(dǎo)得到了無(wú)量綱化新型繞流阻力公式；吳承偉等[6]對(duì)典型等直徑45°錯(cuò)置雙柱橋墩在不同柱間距下的三維流場(chǎng)特性以及水流力產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究；楊萬(wàn)理等[7]對(duì)橋梁墩柱三維繞流特性進(jìn)行精細(xì)化研究，闡述了流場(chǎng)三維特性與墩柱水流力之間的關(guān)系；唐濤等[8]采用數(shù)值模擬分析了串列雙梯形柱繞流水動(dòng)力特性；華旭剛等[9]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及CFD仿真分析，揭示了達(dá)林大橋在水流作用下橋墩及橋面出現(xiàn)順橋向大幅振動(dòng)的原因。

還有一些學(xué)者對(duì)泥石流沖擊橋墩的問(wèn)題進(jìn)行了研究。WANG等[10]基于實(shí)驗(yàn)對(duì)橋墩上的泥石流沖擊壓力進(jìn)行了測(cè)量和估計(jì)；YAN等[11]針對(duì)泥石流沖擊提出一種用于橋墩的模塊化防護(hù)裝置；梁恒等[12]基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法(SPH)，構(gòu)建了泥石流沖擊橋墩的三維數(shù)值計(jì)算模型；姚昌榮等[13]基于流固耦合理論對(duì)泥石流沖擊下橋墩的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析；滕禹亮等[14]研究了橋墩形式對(duì)泥石流漿體沖擊效應(yīng)的影響。橋墩水毀現(xiàn)象出現(xiàn)的原因：一方面是因?yàn)樗鳑_擊橋墩的壓力過(guò)大使橋墩被沖垮；另一方面是由于水流對(duì)泥沙的長(zhǎng)期沖刷使得橋墩基礎(chǔ)底部被掏空。部分學(xué)者[15-20]對(duì)水流沖刷橋墩問(wèn)題進(jìn)行了研究。

上述研究多針對(duì)流場(chǎng)特性及水流力進(jìn)行研究，對(duì)水流沖擊引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)關(guān)注較少。且工程實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)水流力計(jì)算問(wèn)題，目前普遍沿用JTS 144-1-2010《港口工程荷載規(guī)范》中的計(jì)算方法，后面統(tǒng)稱港口規(guī)范。該規(guī)范中給出了水流力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式，對(duì)于橋墩水流阻力系數(shù)作了較為詳細(xì)的規(guī)定。但在實(shí)際工程中，當(dāng)水流流經(jīng)橋墩時(shí)，在一定條件下，橋墩兩側(cè)會(huì)周期性的發(fā)生漩渦泄放現(xiàn)象，從而產(chǎn)生一個(gè)周期性的交變橫向力，可能引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞，嚴(yán)重時(shí)造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌。且規(guī)范中考慮的橋梁多建造在水勢(shì)平緩的緩流區(qū)，對(duì)處于急流沖擊情況下的橋墩，較大的瞬時(shí)橫向力可能造成較顯著的結(jié)構(gòu)橫流向振動(dòng)，此時(shí)應(yīng)考慮橫流向瞬時(shí)水流力的影響?；谀炒罂缍冗B續(xù)剛構(gòu)橋，借助Fluent軟件，得到作用于橋墩上的瞬時(shí)水流力，分析連續(xù)剛構(gòu)橋在不同水流速度、不同水深下的動(dòng)力響應(yīng)，并與規(guī)范結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，旨在為進(jìn)一步研究提供可靠的參考。

1 工程概況

某高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋全長(zhǎng)460 m，為125 m+220 m+115 m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁橋。主橋斷面為單箱單室變截面結(jié)構(gòu)，其中，梁支點(diǎn)處截面高14 m，跨中和端截面梁高3.8 m，頂板和底板寬8 m，翼板寬6.9 m。橋墩采用雙薄壁墩，高54 m，寬7.5 m，厚2.5 m。主橋箱梁采用C60混凝土，橋墩、橋臺(tái)、樁基均采用C40混凝土。

計(jì)算模型總體坐標(biāo)系以順橋向?yàn)閄軸，以橫橋向?yàn)閅軸，以豎向?yàn)閆軸，主梁、橋墩等均用梁?jiǎn)卧M。橋墩與主梁間采用剛性連接，橋梁兩端采用Dy，Dz，Rx，Rz4個(gè)自由度約束，底部固結(jié)。采用“m”法考慮樁土相互作用，水平土彈簧剛度的計(jì)算公式為

k=mh0bz

(1)

式中，m為地基變形比例系數(shù)；h0為土層計(jì)算厚度；b為樁計(jì)算寬度；z為計(jì)算點(diǎn)到地面的深度。

計(jì)算模型及連續(xù)剛構(gòu)橋主橋布置分別如圖1、圖2所示。

圖1 有限元模型

圖2 連續(xù)剛構(gòu)橋主橋布置(單位：m)

2 CFD仿真分析

2.1 基本理論

采用大渦模擬(LES)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩斷面進(jìn)行二維繞流的數(shù)值模擬，大渦模擬能夠捕捉到雷諾平均(RANS)方法所無(wú)能為力的許多非穩(wěn)態(tài)，同時(shí)又克服了直接數(shù)值模擬(DNS)由于需要求解所有湍流尺度而帶來(lái)的巨大計(jì)算開銷問(wèn)題。數(shù)值模擬計(jì)算求解的流體控制方程為經(jīng)一定過(guò)濾處理的Navier-Stokes方程，即

(2)

式中，ρ為水密度；ui、uj為速度分量；p為壓力；μ為水動(dòng)力粘性系數(shù)；τij為亞網(wǎng)格應(yīng)力，它體現(xiàn)了小尺度渦運(yùn)動(dòng)對(duì)所求解的運(yùn)動(dòng)方程影響。式中帶有上橫線的量為濾波后的場(chǎng)變量。

2.2 數(shù)值模型及水流力

雙薄壁墩繞流計(jì)算模型如圖3所示。橋墩截面寬B=2.5 m，長(zhǎng)L=7.5 m，兩墩間距W=8.5 m，水流方向?yàn)閄方向。二維數(shù)值模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)? 600 m×600 m的矩形區(qū)域，兩墩中心距離左側(cè)邊界600 m，距離右側(cè)邊界1 000 m，距離兩側(cè)邊界300 m。計(jì)算區(qū)域左邊界采用速度入口邊界條件，定義來(lái)流速度為4～12 m/s；右邊界采用壓力出口邊界條件；橋墩表面采用無(wú)滑移壁面邊界條件，即u=v=0；計(jì)算域上下邊界處的流動(dòng)對(duì)橋墩繞流不產(chǎn)生影響，采用對(duì)稱邊界條件。對(duì)橋墩斷面繞流的計(jì)算區(qū)域生成網(wǎng)格時(shí)，采用混合網(wǎng)格方案，先對(duì)橋墩表面鋪設(shè)20層極薄的結(jié)構(gòu)化邊界層網(wǎng)格，首層網(wǎng)格單元厚度為0.1 mm，單元厚度從里向外等比遞增，其單元厚度增長(zhǎng)率設(shè)置為1.2，在邊界層網(wǎng)格外的臨近網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)布置非結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格，通過(guò)指定的網(wǎng)格尺寸控制函數(shù)，把相鄰網(wǎng)格單元長(zhǎng)度增長(zhǎng)率控制為不超過(guò)1.07。采用非定常二階隱式計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)為0.005 s，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)的迭代子步為20，參數(shù)迭代殘差取1.0×10-9，壓強(qiáng)和速度求解算法為SIMPLEC，空間離散格式為二階，軟件計(jì)算平臺(tái)為大型通用流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent。

圖3 橋墩繞流模型

橋墩附近水流場(chǎng)中瞬時(shí)速度系數(shù)和瞬時(shí)壓強(qiáng)系數(shù)等值線云圖如圖4、圖5所示。從圖4、圖5中可以看出，順流向水流受到橋墩阻礙，流速減慢，且在橋墩前方形成雍水現(xiàn)象。橋墩迎水面水流在橋墩兩側(cè)截面處向外加速流動(dòng)，近壁面水流流速相對(duì)較小，在橋墩后側(cè)截面處出現(xiàn)水流的分離，并形成回流漩渦。在橋墩下游出現(xiàn)卡門渦街，隨著水流運(yùn)動(dòng)消散。橋墩迎水面雍水形成高壓區(qū)，背水面形成低壓區(qū)，這種前后的壓差便構(gòu)成了順流向水流對(duì)橋墩的壓力。受兩墩間距及勢(shì)差的影響，水流向橋墩兩側(cè)加速運(yùn)動(dòng)，造成單墩兩側(cè)的壓強(qiáng)呈非對(duì)稱分布，構(gòu)成橫流向的瞬時(shí)壓強(qiáng)差，這是橋墩在水中受到瞬時(shí)橫流向力的主要原因。

圖4 瞬時(shí)速度系數(shù)等值線云圖

圖5 瞬時(shí)壓強(qiáng)系數(shù)等值線云圖

將數(shù)值模擬得到的各速度下橋墩平均阻力系數(shù)列于表1，并與港口規(guī)范中的取值進(jìn)行對(duì)比。從表1中可以看出，本文數(shù)值模擬結(jié)果與港口規(guī)范中的取值較為接近，從而說(shuō)明了本文數(shù)值模擬的可靠性。

表1 橋墩阻力系數(shù)

3 連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力響應(yīng)分析

為探討連續(xù)剛構(gòu)橋在不同水深(水流沖擊墩體高度)及不同水流速度下的動(dòng)力響應(yīng)，考慮水深高度變化范圍h為1/4H～H，其中，增量定義為1/4H(H為墩柱高)。水流速度設(shè)置為v=4～12 m/s，以2 m/s的速度增量變化。以橋墩墩頂最大位移與墩底最大應(yīng)力為研究量，將急流沖擊下橋梁動(dòng)力響應(yīng)值繪制成折線如圖6所示。從圖6中可以看出，在水深高度不變的情況下，墩頂最大位移和墩底最大應(yīng)力隨著水流速度的增加呈非線性增長(zhǎng)；當(dāng)h=H/4，v在4～12 m/s變化時(shí)，橋墩墩頂最大位移和墩底最大應(yīng)力雖然也在增長(zhǎng)，但受水流沖擊效果并不明顯；當(dāng)水深在H/2及以上時(shí)，橋墩受水流沖擊效果急劇增長(zhǎng)，水流速度對(duì)橋墩最大位移和最大應(yīng)力影響較大，急流對(duì)橋梁的沖擊作用不可忽視；當(dāng)h=H，v=12 m/s時(shí)，這是一種極端情況，此時(shí)水深已至橋墩頂部，雖然隨著水深逐漸增長(zhǎng)，墩頂位移趨于平穩(wěn)，但橋墩最大位移和最大應(yīng)力已超過(guò)了安全范圍。

圖6 急流沖擊下剛構(gòu)橋動(dòng)力響應(yīng)折線

圖7為2號(hào)墩在8 m/s急流沖擊下，順流向阻力和橫流向力作用下的墩頂位移時(shí)程曲線。從圖7中可以看出，墩頂位移圍繞一恒定值上下波動(dòng)，最終在阻尼的作用下趨于穩(wěn)定；在相同的水流速度下，隨著水深逐漸增大，橋墩位移響應(yīng)峰值在阻力和側(cè)向力作用下越來(lái)越大；橫流向振動(dòng)幅度相比于順流向較小，但其響應(yīng)峰值與順流向位移響應(yīng)處于同一量級(jí)，不可忽略。

圖7 2號(hào)墩頂位移時(shí)程曲線

為定量分析港口規(guī)范與數(shù)值模擬所得橋墩動(dòng)力響應(yīng)的差異，現(xiàn)定義ΔD為橋墩墩頂位移差值，Δσ為橋墩墩底應(yīng)力差值，其中根據(jù)港口規(guī)范計(jì)算水流力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，考慮了橋墩形狀以及水流橫向影響系數(shù)對(duì)橋墩水流阻力系數(shù)的影響。

ΔD=港口規(guī)范法墩頂位移-數(shù)值模擬墩頂位移；Δσ=港口規(guī)范法墩底應(yīng)力-數(shù)值模擬墩底應(yīng)力。

圖8為不同水流速度及不同水深下根據(jù)港口規(guī)范所得橋墩墩頂位移和墩底應(yīng)力的折線圖。從圖8中可以看出，隨著水深及流速增大，橋墩墩頂位移和墩底應(yīng)力逐漸增大；水深在H/2以下時(shí)，橋墩受水流沖擊效應(yīng)不大；水深在H/2以上時(shí)，隨著水流速度增大，橋墩受水流沖擊效應(yīng)急劇增長(zhǎng)，這一現(xiàn)象與數(shù)值模擬所得結(jié)論相同。

圖8 港口規(guī)范下剛構(gòu)橋響應(yīng)折線

圖9為港口規(guī)范與數(shù)值模擬所得墩頂位移與墩底應(yīng)力響應(yīng)差值折線圖。從圖9中可以看出，在水深較小，水流較緩時(shí)，港口規(guī)范與數(shù)值模擬所得橋墩響應(yīng)值較為吻合，隨著水深和流速增大，差值逐漸增大；在流速為10 m/s，水深為H處達(dá)到最大，位移可達(dá)1.6 cm，應(yīng)力可達(dá)4.8 MPa；相比港口規(guī)范，由數(shù)值模擬計(jì)算得到的值更符合實(shí)際情況。港口規(guī)范對(duì)水流力取值在水流速度較大且水深高于H/2時(shí)，偏于不安全，未考慮橫流向水流力對(duì)橋墩的影響，顯然在急流狀態(tài)下由數(shù)值模擬得到的結(jié)果更為保守。

圖9 橋墩墩頂位移與墩底應(yīng)力響應(yīng)差值折線

4 結(jié)論

基于數(shù)值模擬研究了急流沖擊下大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力響應(yīng)，考慮了橫流向瞬時(shí)水流力對(duì)橋墩動(dòng)力響應(yīng)的影響，并與港口規(guī)范結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論。

(1)雙薄壁墩在急流沖擊下，受兩墩間距及勢(shì)差的影響，水流向橋墩兩側(cè)加速運(yùn)動(dòng)，造成單墩兩側(cè)的壓強(qiáng)呈非對(duì)稱分布，構(gòu)成橫流向的瞬時(shí)壓強(qiáng)差，這是橋墩在水中受到瞬時(shí)橫流向力的主要原因。

(2)橋墩頂最大位移和墩底最大應(yīng)力隨著水深和水流速度增加呈非線性增長(zhǎng)，水深在H/2及以上時(shí)，橋梁受急流沖擊效果急劇增長(zhǎng)，水流速度對(duì)橋墩最大位移和最大應(yīng)力影響較大。忽略橫向水流力作用可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的后果，尤其是在急流沖擊作用下，橫向力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響顯著。

(3)由港口規(guī)范計(jì)算結(jié)果在水深高于H/2時(shí)偏于不安全，且隨著水深和流速增大，差值逐漸增大，在流速為10 m/s，水深為H處達(dá)到最大，位移可達(dá)1.6 cm，應(yīng)力可達(dá)4.8 MPa，在急流狀態(tài)下，數(shù)值模擬的結(jié)果更為保守。