左生榮， 譚博夫， 楊吉新

(1.湖北省路橋集團有限公司， 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)

針對波浪對深水橋墩的作用，不同波浪參數(shù)的形式對深水橋墩波浪力的影響大小和程度各不相同，這就需要對深水橋墩在設(shè)計和施工階段需要采取有效的應(yīng)對方法。以CFD數(shù)值計算的方法為基礎(chǔ)，對大直徑圓形的深水橋墩在不同波長和波高的三維波浪參數(shù)條件下受到的波浪力分別進行了計算，并得到了各自的大小，數(shù)值計算結(jié)果表明波長和波高的規(guī)則的增長，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，到達某一深度減小為零，同時波長和波高的增加都會擴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

隨著國內(nèi)跨海大橋的建設(shè)迅猛發(fā)展，對于橋梁水下結(jié)構(gòu)的橋墩與流體的流固耦合研究取得了長足的進展，目前使用較多的是CFD數(shù)值計算方法[1]。在跨海橋梁的環(huán)境影響因素中，海浪對橋墩的作用是及其普遍的，其影響也是巨大的，因此對不同形式的波浪對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的形式，通過規(guī)則波浪對橋墩的作用來找到波浪力的規(guī)律，以此找到跨海大橋橋墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計的相應(yīng)的對策。另外，在深水橋墩的承臺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，因此研究不同類型的波浪形式對波浪力的影響規(guī)律是非常必要的[5]。

2　CFD數(shù)值計算方法介紹

在計算波浪力的各種方法中，CFD數(shù)值計算方法是研究波浪和墩柱結(jié)構(gòu)一種行之有效的方法。該方法在近些來得到了迅猛發(fā)展，其核心就是依賴于計算機技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一門學(xué)科，該法可以運用強大的計算機仿真系統(tǒng)，可以模擬現(xiàn)實的流體情況，研究其對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用[6]。該方法在越來越多的工程應(yīng)用中得到應(yīng)用和發(fā)展并取得跟理論方法和試驗方法較為接近的結(jié)果。本文以CFD數(shù)值計算方法作為研究波浪與墩柱結(jié)構(gòu)作用的主要手段，通過改變波浪的參數(shù)來進行數(shù)值計算，再對結(jié)果進行分析，找出兩者在相互作用過程中的規(guī)律，最終找出對結(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計算參數(shù)設(shè)置

在有限元理論上，對于計算域的邊界條件一般取無窮遠處，但受限于計算條件，一般假定對于流體水槽的計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動得到充分的發(fā)展，取值的范圍是10D[7]。

運用ANSYS workbench中FLUENT模塊進行建模計算，水槽的計算域為60 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: 波浪從開始出發(fā)到波峰和波谷分別經(jīng)過圓形墩柱時的情況。波浪從左至右沿x軸正方向傳播。

圖3　某時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

通過計算可以求得不同時刻作用在直徑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所示的波浪力時程曲線。從圖中可以看出波浪從開始進入到經(jīng)過大約5 s后趨于穩(wěn)定，波浪力的振幅整體上保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)[8]。波峰作用時最大波浪力是23187.9 N，為正值；波谷作用時的最大波浪力是-23880 N，為負值。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方向波浪力時程曲線Figure 4　Time-history curve of X direction wave force on large diameter circular pier column

3　波浪參數(shù)對波浪力影響的分析

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

3.1波長對波浪力的影響

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

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

圖5　波長14 m時水平方向波浪力時程曲線Figure 5　Time-history curve of the horizontal wave force on the wave length of 14 m

圖6　波長為18 m時水平方向波浪力時程曲線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: 波長為14 m時波峰最大波浪力是51993 N，波谷最大波浪力為-51477.3 N；波長為18 m的規(guī)則波作用時的波峰最大波浪力是72931.6 N，波谷最大波浪力是-79099.2 N。

通過計算可發(fā)現(xiàn)，在其它參數(shù)不變的情況下，波長從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%；波長從14 m增加至18 m時，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%，波長變化對波浪力的影響是比較顯著的，并且同一波長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:波長和波浪力的變化關(guān)系，波浪力與波長在一定的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律。

3.2波高對波浪力的影響

為了分析波高對波浪力的影響，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，然后分別計算其對圓形墩柱產(chǎn)生波浪力的大小。

波高是0.6 m和0.8 m時，作用于墩柱上水平波浪力的時程曲線，見圖7,圖8。

圖7　波高0.6 m時水平方向波浪力的時程曲線圖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時波浪力時程曲線圖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，波峰作用于圓形墩柱的最大波浪力是55317.8 N，波谷作用時最大波浪力是-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，波峰作用于圓形墩柱時的最大波浪力是101553.6 N，波谷作用時最大波浪力是-90282 N。相比波高是0.6 m(在其它條件一致)時的波浪力，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)律見圖9所示。波浪力與波長在一定的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律。

圖9　不同波長和波高對應(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)波長是10 m，波高是0.4 m的波浪與圓柱作用時，墩柱上不同深度上對應(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。

圖10　波峰作用時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，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，在此深度以下各點的波浪力幾乎為零，說明波浪力在該深度以下對墩柱幾乎沒有影響。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。波谷作用于墩柱時的情況如圖11所示。

波高和波長變大后，其對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和波長是14 m時的規(guī)則波作用時為例進行說明，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14 m作用時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

通過圖12、圖13可以看出: 波浪參數(shù)的波長和波高變大后，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，針對波浪力對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，具有積極的現(xiàn)實意義[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程曲線與波浪周期基本一致，在一個周期內(nèi)，波峰作用于墩柱時出現(xiàn)正值的最大值，波谷作用時出現(xiàn)負值的最大值。

② 改變波長和波高兩個波浪參數(shù)，結(jié)果顯示波長分別是14 m和18 m(基本模型波長是10 m)的波峰的最大波浪力比波長是10 m和14 m 時分別增大了55.4%和40.3%；波谷的最大波浪力比波長是10 m和14 m 時分別增大了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時分別增大了128.9%和65.2%。在一定范圍內(nèi)波長和波高的變化與波浪力的變化近似的呈線性關(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，在距離墩底某個深度后波浪力趨于零，波浪力從最大值到零的這個深度范圍較小，只占整個墩柱的長度較小的一部分，并且隨著波長和波高的變大，這個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

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2007AA11Z107)

左生榮(1978 — )，男，江蘇姜堰人，工學(xué)博士，高級工程師，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