孤立波作用下箱型主梁水動力特性研究

黃雯，易偉清，左光升，胡傳新＊

（武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430081）

近海橋梁由于其特殊的工作環(huán)境，會遭受到各種自然災(zāi)害所帶來的破壞，其中臺風(fēng)和海嘯引起的極端波浪對近海橋梁的影響極大，是造成橋梁損壞的主要因素[1-3]。美國于2005 年因颶風(fēng)Katrina 引起極端波浪使數(shù)十座橋梁受到不同程度的損壞，對墨西哥灣沿岸地區(qū)的交通系統(tǒng)造成了嚴(yán)重破壞，僅修復(fù)或更換颶風(fēng)期間受損的橋梁的總成本估計超過10 億美元[4]。我國部分海域極端海況歷時較長，強(qiáng)度較大[5]，因此開展極端波浪作用下近海箱梁橋所受波浪力的影響因素的研究，有助于近海橋梁上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高橋梁在極端災(zāi)害情況下的可靠度。

現(xiàn)有研究多為針對樁基、承臺等橋梁下部結(jié)構(gòu)的研究，對橋梁上部結(jié)構(gòu)研究較少，雖然文獻(xiàn)[6]開展了對橋梁上部結(jié)構(gòu)的研究，但采用的是規(guī)則波浪，無法體現(xiàn)海洋環(huán)境的復(fù)雜性。本文基于SST k-ω 湍流模型和VOF方法，設(shè)計一個更符合實際海況的三維數(shù)值水槽，以孤立波代替極端波浪，分析不同波高、淹沒深度、箱梁結(jié)構(gòu)尺寸下箱梁的受力狀態(tài)，為設(shè)計、施工提供一定參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型的建立

以Hayatdavoodi[7]的實驗?zāi)Ｐ蜑橐罁?jù)，建立數(shù)值模型，驗證仿真模型的準(zhǔn)確性。數(shù)值水槽長9.14m，寬0.152m，高0.39m，左側(cè)為波浪入口，橋梁模型置于距入口2.92m 處，右側(cè)為波浪出口，在距出口3m 處設(shè)置消波段。水槽布置如圖1。

圖1 水槽布置（單位：cm）

根據(jù)上述尺寸利用Geometry 進(jìn)行建模，將模型導(dǎo)入ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，水槽和模型均采用六面體網(wǎng)格，全局網(wǎng)格尺寸為0.01m，液面附近及橋梁局部細(xì)化尺寸為0.005m，劃分網(wǎng)格數(shù)量為31 萬，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.9以上。采用Fluent 模塊進(jìn)行求解設(shè)置，以VOF 方法來模擬多相流，選取SST k-ω 湍流模型，壓力速度耦合采用PISO 算法。波浪入口選擇速度入口并開啟明渠造波，選用五階孤立波理論進(jìn)行造波。出口設(shè)置為壓力出口，勾選明渠并設(shè)置自由水面位置進(jìn)行消波，水槽頂部采用壓力出口保證空氣流通。綜合計算精度與計算效率，時間步長取0.01s。

1.2 數(shù)值模型驗證

為了驗證數(shù)值水槽造波的有效性，本文采用三維數(shù)值波浪水槽計算結(jié)果Hayatdavoodi 的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)來進(jìn)行對比。模擬工況選取與原試驗一致，水深為0.086m，波高為0.0247m。對比結(jié)果如圖2 所示，本文數(shù)值水槽模擬出的水平波浪力峰值和豎直波浪力峰值與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)有較好的吻合度，波谷值與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)稍有差異，這是由于實驗在造波過程中，造波板與波浪分離時產(chǎn)生的渦流對波浪后端波形產(chǎn)生一定影響，但總體來看本文模擬數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)大體一致，說明本文數(shù)值水槽有較好的造波效果。

圖2 波浪力數(shù)值解與文獻(xiàn)對比

2 箱梁所受波浪力影響因素分析

為分析箱型主梁在孤立波作用下的受力情況，將數(shù)值水槽中的T 梁替換成尺寸相當(dāng)?shù)南淞?，箱梁模型長14.9cm，梁頂寬30.48cm，梁底寬14cm，詳細(xì)尺寸如圖3。箱梁所受波浪力的影響因素主要分為波浪參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。在水深固定的情況下，孤立波可變參數(shù)僅有波高，結(jié)構(gòu)參數(shù)方面本文準(zhǔn)備從箱梁淹沒系數(shù)和箱梁尺寸進(jìn)行探究，其中淹沒系數(shù)為箱梁淹沒深度h 與箱梁高度H 的比值，工況見表1。

表1 工況簡介表

圖3 箱梁截面圖（單位：cm）

2.1 波高對箱梁所受波浪力的影響

取水深為0.12m、淹沒系數(shù)為0 進(jìn)行代表性分析，繪制波高與波浪力峰值的變化曲線如圖4。

圖4 不同波高時模型所受最大波浪力

從圖4 中可以看出波高從0.035m 增加至0.055m 期間，箱梁所受水平波浪力峰值和豎直波浪力峰值均隨波高增大而增大，近似呈線性關(guān)系，且豎直波浪力峰值隨波高變化更為顯著。相同波高下，箱梁所受水平力峰值小于豎直力峰值，且二者差值隨波高增大而增大，當(dāng)波高為0.055m 時二者差值達(dá)到最大，約為箱梁所受豎直力峰值的76.6%。

2.2 箱梁淹沒系數(shù)對箱梁所受波浪力的影響

取水深為0.12m、輸入波高為0.06m 進(jìn)行代表性分析，不同淹沒系數(shù)下箱梁所受波浪力峰值變化如圖5。

圖5 不同淹沒系數(shù)下模型所受最大波浪力

從圖5 可以看出，水平波浪力峰值隨箱梁淹沒入水中深度的增加先減小后增大，總體隨淹沒系數(shù)變化不明顯。對于豎直波浪力，當(dāng)淹沒系數(shù)在0～1.0 范圍內(nèi)時（即箱梁從底部接觸水面到頂板剛好淹沒入水中），箱梁所受豎直波浪力峰值隨淹沒系數(shù)的增大而增大，其增加幅度為102.6%，在淹沒系數(shù)為1.0（即箱梁頂板剛好淹沒入水中）時達(dá)到峰值。當(dāng)淹沒系數(shù)大于1.0（即箱梁完全淹沒水中）后，箱梁所受豎直波浪力峰值隨淹沒系數(shù)的增加而減小，淹沒系數(shù)在1.0～2.2 范圍內(nèi)減少幅度為28.2%。綜上所述，箱梁水平波浪力峰值受淹沒深度影響較小，而豎直波浪力峰值隨淹沒系數(shù)變化較為明顯。當(dāng)淹沒系數(shù)為1.0 時，豎直波浪力峰值達(dá)到最大，說明當(dāng)風(fēng)暴潮來襲時，橋梁上部結(jié)構(gòu)剛剛淹沒水中時是最為危險的狀態(tài)。

2.3 箱梁結(jié)構(gòu)尺寸對箱梁所受波浪力的影響

本節(jié)通過改變箱梁高度和梁底寬度來研究箱梁結(jié)構(gòu)尺寸對其所受波浪力的影響。保持翼緣板厚度、箱梁頂部寬度、腹板斜率不變，盡量減少其他局部尺寸的影響。

2.3.1 梁底寬度對箱梁所受波浪力的影響

取梁高為0.05m、水深為0.12m、輸入波高為0.06m、淹沒系數(shù)為0 進(jìn)行代表性分析，不同梁底寬度下箱梁所受波浪力峰值變化曲線如圖6。

圖6 不同梁底寬度時模型所受最大波浪力

從圖6 中可以看出，隨梁底寬度增加箱梁所受水平波浪力峰值和豎直波浪力峰值均呈先增加后減少的趨勢，但總體變化不大。梁底寬度從0.09m 增加至0.12m時，箱梁所受水平波浪力峰值增加19.0%，豎直波浪力峰值增加13.2%。梁底寬度從0.12m 增加至0.18m 時，箱梁所受水平波浪力峰值減少22.9%，豎直波浪力峰值減少16.4%。在箱梁高度不變的情況下，箱梁在水平和豎直方向的受力面積不變導(dǎo)致箱梁所受水平力波浪力峰值和豎直力波浪力峰值變化不大。

2.3.2 箱梁高度對箱梁所受波浪力的影響

選取梁底寬度為0.12m、水深為0.12m、輸入波高為0.06m、淹沒系數(shù)為0 進(jìn)行代表性分析，不同箱梁高度下箱梁所受波浪力變化曲線如圖7。

從圖7 中可以看出，箱梁所受水平波浪力峰值和豎直波浪力峰值隨箱梁高度增加而增加，其中豎直波浪力峰值增加趨勢更明顯。箱梁高度從0.04m 增加至0.05m時，箱梁所受豎直波浪力峰值變化不明顯，當(dāng)箱梁高度從0.05m 增加至0.07m 時，箱梁所受豎直波浪力峰值和水平波浪力峰值近似呈線性變化，其中豎直波浪力增加51.5%，水平波浪力增加146.1%。隨箱梁高度增加，箱梁所受水平波浪力的有效受力面積增加導(dǎo)致水平波浪力峰值增大，滯留空氣體積增加導(dǎo)致豎直波浪力峰值也增加。與改變箱梁寬度時箱梁所受波浪力變化相比，改變箱梁高度對箱梁所受波浪力變化影響更顯著，這說明箱梁受到的波浪力對箱梁高度變化更加敏感。

3 結(jié)語

本文采用孤立波替代海嘯模擬極端波浪情況下近海箱梁橋上部結(jié)構(gòu)受力情況，通過建立三維數(shù)值水槽模型，模擬了箱梁橋在多種不同的工況下的受力情況，研究了波高、淹沒深度及箱梁結(jié)構(gòu)尺寸對上部結(jié)構(gòu)所受波浪力的影響。主要結(jié)論如下：

（1）各種工況下，箱梁所受豎直波浪力均遠(yuǎn)大于水平波浪力，因此在設(shè)計中應(yīng)更加重視豎向力引起的破壞。

（2）水平和豎直波浪力均隨波高近似呈線性增長趨勢，當(dāng)波高達(dá)到一定值后，這一趨勢趨于平穩(wěn)。

（3）箱梁水平波浪力受淹沒深度影響較小，而豎直波浪力對淹沒深度較為敏感。當(dāng)淹沒系數(shù)為1.0 時，豎直波浪力達(dá)到峰值，說明當(dāng)風(fēng)暴潮來襲時，橋梁上部結(jié)構(gòu)剛剛淹沒水中時是最為危險的狀態(tài)。

（4）梁底寬度的改變對水平和豎直波浪力的影響不大，而箱梁高度的增加則引起水平和豎直波浪力的大幅增長。說明在箱梁在滿足設(shè)計要求和安全性的前提下，降低箱梁高度能有效減少在臺風(fēng)和風(fēng)暴潮等惡劣天氣下極端波浪對近海箱梁橋的影響。