波浪力對(duì)近海橋梁上部結(jié)構(gòu)沖擊作用研究現(xiàn)狀及方法對(duì)比分析

高慧興 賈景濤

（吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，人類在沿海地區(qū)的活動(dòng)日益增加，對(duì)于沿海地區(qū)的交通需求也越來越大，由于我國有著3.2萬km長的海岸線，這使近海橋梁在我國交通網(wǎng)絡(luò)中的比重逐漸增大。在過去20年內(nèi)，隨著我國“海洋強(qiáng)國”、“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議等一系列重大戰(zhàn)略決策的持續(xù)推進(jìn)，我國的近海橋梁工程建設(shè)取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步和成就，東部沿海地區(qū)建設(shè)了大量的跨越江河海灣的大型橋梁，其中包括全長31.63km的青島膠州灣跨海大橋、全長35.7km的杭州灣跨海大橋以及全長55km的港珠澳跨海大橋。在國家發(fā)改委頒布的《全國海洋經(jīng)濟(jì)“十三五”規(guī)劃》以及“十四五”規(guī)劃中均提到了要統(tǒng)籌推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，加快建設(shè)交通強(qiáng)國，要拓展投資空間，推進(jìn)包括新型交通水利等在內(nèi)的重大工程建設(shè)，更多高難度的近海橋梁和通道工程進(jìn)入了論證和規(guī)劃階段。但是，我國處于環(huán)太平洋地區(qū)，是世界上受臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴潮災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，平均每年約有7.2個(gè)來自于西北太平洋地區(qū)的臺(tái)風(fēng)登陸我國，僅在2020全年，經(jīng)過我國海域或登陸我國大陸的臺(tái)風(fēng)就有20個(gè)。每當(dāng)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)，通常會(huì)破壞甚至摧毀沿海地區(qū)的橋梁，世界各地都有過臺(tái)風(fēng)摧毀近海橋梁的記錄。以2004年的颶風(fēng)Ivan和2005年的颶風(fēng)Katrina為例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至少44座西太平洋海岸線的近海橋梁遭受了毀滅性損壞；2013年臺(tái)風(fēng)海燕同樣也損壞或摧毀了大量的沿海橋梁，災(zāi)后修復(fù)或更換這些受損橋梁消耗了大量的人力、物力和財(cái)力。

雖然近些年來，工程界已經(jīng)開始重視近海橋梁工程，國內(nèi)外許多學(xué)者在波浪對(duì)近海橋梁上部結(jié)構(gòu)作用方面已經(jīng)做了許多研究，但是由于近海橋梁工程興起相對(duì)比較晚，并且橋梁與波浪相互作用的相關(guān)理論以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)仍然相對(duì)來說比較匱乏，因此開展近海環(huán)境下波浪對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)沖擊作用的研究具有十分重要的意義。本文通過分析波浪力對(duì)近海橋梁上部結(jié)構(gòu)沖擊作用的研究現(xiàn)狀及方法對(duì)比。

1 近海橋梁破壞的主要原因

導(dǎo)致沿海地區(qū)橋梁破壞的主要原因是：臺(tái)風(fēng)的到來會(huì)產(chǎn)生風(fēng)暴潮增水，由此引起的海平面上升，導(dǎo)致近海橋梁底部有效凈空減小，同時(shí)臺(tái)風(fēng)引起的巨型波浪直接作用在橋梁結(jié)構(gòu)上，近海橋梁上部結(jié)構(gòu)受到巨大的波浪砰擊作用，導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生梁體位移、梁體脫落和梁體斷裂等破壞情況。在該過程中，波浪力是導(dǎo)致近海橋梁損壞的主要原因，波浪力主要由準(zhǔn)靜止力和砰擊力組成，波浪對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的砰擊作用本質(zhì)上是多種介質(zhì)相互作用的過程，其中主要為波浪砰擊結(jié)構(gòu)、水彈性以及氣液固三相耦合等復(fù)雜的物理現(xiàn)象。

2 近海橋梁受波浪力影響的研究現(xiàn)狀

早在1970年Wang[1]便通過在波浪水槽試驗(yàn)的方法，探究了波浪對(duì)水平平臺(tái)的上升壓力，在改變一系列波浪參數(shù)和水深等進(jìn)行試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)上升壓力主要是由兩個(gè)分量組成，一個(gè)是波浪對(duì)底板的初始沖擊壓力，另一個(gè)是由不同波浪參數(shù)而緩慢變化產(chǎn)生的壓力分量，這與French[2]所得的結(jié)果一致。而在現(xiàn)有發(fā)表的研究報(bào)告中，Denson[3-4]是最早開始研究有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)所受到的波浪力，Denson根據(jù)在卡米爾號(hào)颶風(fēng)中遭到損壞的圣路易橋梁，制作了一個(gè)縮尺比為1∶24的橋梁模型，在波浪水槽中分別測試了不同凈空和波高的工況下橋梁模型所受到的波浪力，雖然所使用的波浪太過單一，并且周期固定且只對(duì)淺水波進(jìn)行了試驗(yàn)，但是對(duì)橋梁受到波浪力的探索具有十分重要的意義。

盡管20世紀(jì)70年代便已經(jīng)開始了波浪力作用的研究，但針對(duì)近海橋梁所受波浪力展開研究的也只有小部分，其余大多是關(guān)于沿海地區(qū)的海洋工程建筑物所受波浪力的研究。21世紀(jì)初，兩場超強(qiáng)颶風(fēng)伊萬和卡特琳娜登陸美國，并對(duì)沿海地區(qū)橋梁造成巨大的損失，兩起災(zāi)難讓工程界的目光開始投向了近海橋梁。2009年，Cuomo[5]參照美國90號(hào)高速公路Mobile海灣大橋的陸海連接段，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一個(gè)1∶10的橋梁模型試驗(yàn)，首次測試研究了在不同波浪參數(shù)和凈空條件下，在橋跨方向橋梁上部結(jié)構(gòu)受到的波浪作用力，同時(shí)還測試了泄氣孔開啟或者關(guān)閉時(shí)對(duì)橋梁模型上部結(jié)構(gòu)的影響；Guo[6]于2015年開展了縮尺比為1∶10的T型橋梁上部結(jié)構(gòu)模型的水動(dòng)力試驗(yàn)，并基于勢流理論建立了全淹沒橋梁上部結(jié)構(gòu)在受到正向入射波作用下的二維波浪力預(yù)測模型，在驗(yàn)證正確性后，將理論模型與美國AASHTO規(guī)范方法進(jìn)行了對(duì)比，并且發(fā)現(xiàn)AASHTO規(guī)范方法中存在的缺點(diǎn)；Huang[7-8]在2018年，在水槽實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，建立一個(gè)縮尺比為1∶30的箱型橋梁模型，通過采集分析箱梁上部結(jié)構(gòu)受到的波浪力，建立了箱型橋梁上部結(jié)構(gòu)極端波浪力的計(jì)算模型；Fang[9]在2019年采用周期性的聚焦波對(duì)箱型橋梁模型的波浪作用進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過測量得到波浪力數(shù)據(jù)，分析無量綱波浪力對(duì)相對(duì)最大振幅/波陡的關(guān)系，以及波浪力的各分量之間的相對(duì)關(guān)系，并將結(jié)果與已有的兩種方法進(jìn)行比較；2021年，費(fèi)立軒[10]通過水動(dòng)力模型試驗(yàn)，研究了規(guī)則波對(duì)懸空的方梁與箱梁的砰擊作用，得到模型前側(cè)壁受到的橫向砰擊作用與波浪參數(shù)的關(guān)系。

在大量學(xué)者利用水槽試驗(yàn)探究橋梁上的波浪力時(shí)，也有大批學(xué)者憑借高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，將計(jì)算流體力學(xué)方法應(yīng)用在越來越多的波浪-結(jié)構(gòu)相互作用研究中，利用商業(yè)軟件如Fluent、CFX、Flow3D 或開源CFD 程序包OpenFOAM建立起了波浪數(shù)值水槽，開始對(duì)近海橋梁所受波浪力的問題展開了全新的、有針對(duì)性的研究。Jin和Meng[11-12]利用商業(yè)CFD軟件Flow-3D建立起數(shù)值水槽，利用該數(shù)值水槽，作者模擬不同工況下橋梁上部結(jié)構(gòu)受到的波浪力，并將數(shù)值模擬結(jié)果與已有的計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，指出美國AASHTO規(guī)范中存在高估波浪力的情形，并根據(jù)模擬結(jié)果給出估算近海橋梁上部結(jié)構(gòu)波浪力的經(jīng)驗(yàn)方法；Chen[13]使用開源計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件OpenFOAM，探究聚焦波群與剪切流之間的相互作用，以及它們與底置立式圓柱之間的相互作用，提高了數(shù)值水槽的準(zhǔn)確性；肖圣超[14]利用全過程模擬海嘯生成，利用傳播及爬高軟件COMCOT 和開源數(shù)值模擬軟件OpenFOAM，研究橋梁在波浪作用下的破壞機(jī)理；Zhang[15]利用商業(yè)軟件ANSYS-Fluent建立起二維數(shù)值波浪水槽對(duì)橋梁模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，在對(duì)數(shù)值進(jìn)行分析后，提出橋面的最佳標(biāo)高為+5.5m的建議，并提出一些關(guān)于實(shí)踐設(shè)計(jì)工程的建議；王玉琦[16]通過商業(yè)CFD軟件Flow-3D，研究美國沿海橋梁在2005年Katrina颶風(fēng)期間在臺(tái)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；趙西增[17]則利用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開展極端波浪對(duì)跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)作用的模擬研究，重點(diǎn)分析不同淹沒狀態(tài)下橋梁上部結(jié)構(gòu)受極端波浪作用時(shí)的波面變化、橋梁底部壓強(qiáng)及整體波浪力變化，探究橋梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞的可能原因。

3 研究方法對(duì)比

3.1 數(shù)值模擬與物理模型試驗(yàn)對(duì)比

通過閱讀已有學(xué)者的研究結(jié)果，可以將研究方法歸為兩大類，一類為物理模型試驗(yàn)，另一類為數(shù)值模擬試驗(yàn)。在計(jì)算機(jī)處于萌芽階段，學(xué)者們多以物理模型試驗(yàn)為主，受限于水槽實(shí)驗(yàn)室場地的大小，在重力相似準(zhǔn)則條件下，計(jì)算Froude系數(shù)，并最終確定縮尺比。將所需要測量物等比例縮小設(shè)計(jì)完成之后，放入水槽進(jìn)行波浪砰擊作用的試驗(yàn)，能更為真實(shí)地模擬自然界波浪擊打橋梁上部結(jié)構(gòu)的情景，所得的數(shù)值也更加精確。但是物理模型試驗(yàn)的展開，需要大量的人力，物力和財(cái)力，并且將模型等比例縮小，需要選擇合適的動(dòng)力相似準(zhǔn)則，然而在選擇合適的相似準(zhǔn)則過程中，流體力學(xué)試驗(yàn)需要滿足Strouhal相似準(zhǔn)則、Froude相似準(zhǔn)則、Euler相似準(zhǔn)則和Reynolds相似準(zhǔn)則等，選擇的相似準(zhǔn)則越多，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)越困難，甚至根本無法進(jìn)行，例如：在重力場中使用Froude 準(zhǔn)則要求：λV=λL1/2，而模型與原型中的流體相同，需要雷諾數(shù)相同，則要求：λV=λL-1，這使得要求相矛盾，即使采用不同的流體介質(zhì)也很難實(shí)現(xiàn)，這就使得想要進(jìn)行物理模型試驗(yàn)將有諸多不便。

數(shù)值模擬是以波浪理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為輔助設(shè)備，利用現(xiàn)有的可視化軟件進(jìn)行的數(shù)值模型的建立和模擬過程。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的學(xué)者開始利用CFD 技術(shù)解決工程計(jì)算中的難題，數(shù)值模擬不需要考慮縮尺效應(yīng)，可以全尺寸地在軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬，且操作方便靈活，可以對(duì)橋梁構(gòu)型和波浪要素進(jìn)行反復(fù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和對(duì)比分析。但是要想得到準(zhǔn)確的數(shù)值，往往需要精細(xì)的建模，選擇合適的湍流模型和正確的計(jì)算方法，這對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能是一個(gè)不小的考驗(yàn)。

3.2 二維與三維數(shù)值模型對(duì)比

在數(shù)值模擬中，選擇構(gòu)建二維模型或者三維模型是一個(gè)值得斟酌的問題，不可否認(rèn)的是，三維數(shù)值模型的精確程度普遍比二維數(shù)值模型高，但是所耗費(fèi)的時(shí)間也是二維數(shù)值模型所不能比擬的。面對(duì)較為復(fù)雜的橋梁模型，三維模型能比二維模型得到更準(zhǔn)確的數(shù)值結(jié)果，然而目前多數(shù)橋梁上部結(jié)構(gòu)的形狀都可以視為簡單的T型梁橋或者箱型梁橋，這使得目前在選擇幾維的數(shù)值模型上，二維數(shù)值模型更受廣大學(xué)者青睞。Bozorgnia[18]曾經(jīng)進(jìn)行了二維和三維橋梁受到波浪力問題的研究，并與Bradner[19]的研究成果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)波高和水深的比值為0.45時(shí)，二維數(shù)值模型和三維數(shù)值模型之間的最大差異為11%，而當(dāng)波高和水深的比值為0.36時(shí)，最大的差異僅為6%，而在其他情況時(shí)，差異可以更小，這可以說明二維數(shù)值模型也能得到相對(duì)合理的結(jié)果。

3.3 湍流模型的對(duì)比

在湍流模型的選擇上，目前大部分選擇的是k-ε模型或者是k-ω模型。k-ε湍流模型中主要分為3種：Standrad模型，Realizable 模型和RNG 模型。其中，雖然Standrad模型參數(shù)是已經(jīng)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證過的，但是仍有著較大的局限性，對(duì)有大的應(yīng)變區(qū)域（如近分離點(diǎn)）模擬的k偏大，并且面對(duì)有較大的壓力梯度、強(qiáng)分離流、強(qiáng)旋流和大曲率流動(dòng)的模擬精度不夠；Realizable模型能精確預(yù)測平板和圓柱射流的傳播，包括旋轉(zhuǎn)、有大反壓力梯度的邊界層、分離、回流等現(xiàn)象有更好的預(yù)測結(jié)果，但是對(duì)于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)的精確仍有不足；RNG模型是目前k-ε湍流模型中的最優(yōu)選擇，它修正了耗散率方程，在一些復(fù)雜的剪切流，有大應(yīng)變率、漩渦、分離等流動(dòng)問題比上述兩種k-ε湍流模型表現(xiàn)更好。k-ω湍流模型對(duì)近壁面處理較好，對(duì)逆壓力梯度和分離流動(dòng)精度較高，但是其計(jì)算量比k-ε湍流模型要大，而且對(duì)壁面的距離比較敏感。

4 結(jié)束語

綜上所述，國內(nèi)外許多學(xué)者在近海橋梁上部結(jié)構(gòu)波浪力的計(jì)算研究方面取得了許多成果，同時(shí)在研究橋梁上部結(jié)構(gòu)的波浪力的方法上不斷創(chuàng)新，為后續(xù)深入研究提供了豐富的資源。但是也可以明顯發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)波浪力的研究，都只集中在T型梁橋和箱型梁橋這兩種常規(guī)橋型，或針對(duì)某一具體工程展開的，都有其適用范圍，而對(duì)于弧形底的魚腹式橋梁的研究，卻處于空白階段，在我國交通網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展的今天，橋梁的技術(shù)也日新月異，因此僅僅局限于兩種常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)，是不足夠支撐近海橋梁上部結(jié)構(gòu)波浪力的研究，需要加大魚腹式截面箱梁的研究，這具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。