中马友谊大桥主桥墩钢护筒压力实测数据分析

2017-12-28张永涛高宁波游新鹏

中国港湾建设 2017年12期

张鸿，张永涛，高宁波，3，游新鹏，万猛

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040；2.中交武汉智行国际咨询有限公司，湖北武汉 430040；3.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240）

张鸿1，2，张永涛1，高宁波1，3，游新鹏1，万猛2

大直径钢护筒是外海桥梁设计施工中广泛应用的一种桩基础结构形式，其在波浪作用下的受力问题是海洋工程领域研究的热点问题之一。目前已有的研究成果大多基于数值计算和模型试验，现场监测方面的研究成果较少。文章依托“一带一路”标志性工程项目——中马友谊大桥，在主桥20号墩大直径钢护筒上布置了多组压力传感器，对其所受环境荷载进行了现场监测工作。采用快速傅里叶变换和滤波方法处理实测数据，分离不同频率成分，明确了潮汐的影响周期，得到了波浪引起的压强分量，波浪压强的最大值约为4 kPa，相关的结论对于设计临时结构物有重要参考意义。

钢护筒；压力传感器；环境荷载；傅里叶变换

0 引言

近年来，国内外学者对桩基础波浪荷载进行了大量的研究，相关的研究成果已在工程领域得到了广泛的应用。工程上通常使用Morison[1]方程计算波流力。Morison方程将柱状结构物所受波流力分为两部分，质量力分量和阻力分量。Keulegan等[2]引入KC数来反映圆柱结构物荷载中质量力分量和阻力分量的关系。俞聿修[3-5]分别研究了不规则波作用下孤立桩柱、双桩及三桩桩列所受波浪力问题，给出了质量力系数CM、阻力系数CD与KC数的关系曲线。Kriebel[6]采用非线性波浪绕射理论计算了大直径桩柱的二阶波浪力，并与实验结果进行了对比分析。Ohl等[7]采用理论、计算和实验相结合的方法研究了垂直桩柱群在规则波作用下的波浪绕射问题。兰雅梅等[8]对规则波作用下承台和单桩的水动力特性进行了试验研究，讨论了承台对桩柱受力的影响，并与上部无承台的单桩受力结果进行对比分析。

通过以上介绍可以发现，关于桩基础波浪荷载方面的研究主要集中在Morison经验公式中质量力系数CM、阻力系数CD的取值及其与KC数之间的关系、数值计算和水池物理模型试验方面，然而无论数值计算还是模型试验均难以模拟真实的海洋环境。因此，现场监测数据将起到至关重要的作用[9]。

1 工程概况

马尔代夫中马友谊大桥工程位于北马累环礁东南部，连接机场岛和首都马累，桥梁长度为1.39 km。大桥共27个桥墩：其中1~17号为马累侧引桥桥墩，19~23号为主桥桥墩，25~27号为机场侧引桥桥墩，18号和24号为过渡墩。桥位所在海域水深约为0~60 m，局部水深可达60 m以上，海底地形复杂多变，波浪和水流环境恶劣。根据调查发现，本区域存在涌浪和风浪的混合浪，无风条件下桥位区域存在2.0 m左右、周期为8~10 s的涌浪，这给现场施工带来了巨大的挑战，因而进行现场监测工作具有突出的工程应用意义。

2 现场监测

考虑到桥位所处海域特殊的施工条件“水深流急、波长浪大、地质复杂”的因素，横桥向波流力成为主墩横向主要控制荷载。主桥墩基础采用群桩摩擦桩基础，呈梅花式分布。20号桥墩是主桥通航孔桥墩，采用的是7根3.2~3.6 m的变截面钻孔桩，钢护筒外径为3.6 m，壁厚0.032 m。为减小承台自身重量和波流力影响，承台采用菱形承台，厚度为4.0 m。

根据前期的调研报告和当地水文统计资料可知，该海域主浪向为东南方向（SE），20号墩中心线大致平行于南北方向，主浪向SE与20号墩中心线的夹角大致呈45毅（如图1（a）所示）。将20号墩七桩进行编号，选取位于迎浪侧的2号桩基础作为目标钢护筒进行环境荷载监测。采用压力传感器测量钢护筒不同位置处的压力。总共布置2列压力传感器，分别为位置A、位置B，每列布置4个压力传感器，传感器基座固定在钢护筒上。第1层传感器距离平均海平面3.6 m，相邻两个传感器之间的距离为8 m。压力传感器安装位置如图 1（b）所示。

图1 主桥20号桥墩桩基础分布及传感器安装位置Fig.1 The sketch of pile foundation in No.20 pier of main bridge and installation location of sensors

3 实测数据处理分析

压力传感器监测设定采样频率为1 Hz，整个实测工作为20 d，起止日期为2017-01-01—01-20，取其中较为稳定的两周数据进行分析。

实测中，压力传感器测量的压力结果中包括4部分：大气压强（1.01伊105Pa）、静水压强、潮流

压强和波浪压强：

式中：Ptotat是压力传感器测量值；Pair是大气压强，值为1.01伊105Pa；Pstatic是静水压强；Ptide是潮流压强；Pwave波浪压强。

大气压力和静水压力是常量，潮流压强和波浪压强是随机量，但是潮流压强周期远大于波浪压强周期，因而可以采用频谱分析方法分离各组成频率分量。傅里叶变换（Fourier transform）是一种分析信号的方法，它可以用来分析信号的频率成分，其表达式为：

式中：t为时间；棕为圆频率，棕=2仔f。在极坐标系下傅里叶变换可以表达为幅值谱和相位谱的乘积：

式中：灼（k驻t）为离散数据点；驻t为离散数据点之间的时间间隔；驻棕 =2仔（N/驻t）为频率分辨率。式（5）和式（6）可分别通过快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）和逆快速傅里叶变换（In原verse Fast Fourier Transform，IFFT）求解。

图2给出了布置在同一水平高度的压力传感器A-1和B-1所测时历的频谱图。

图2 压力传感器A-1和B-1测量结果频谱值Fig.2 Comparison of frequency spectrums of Sensor A-1 and Sensor B-1

由图可知频率为0时，幅值为0.135 MPa，根据前面对于压力传感器测量结果成分的分析，该值是大气压强和静水压强之和，进而可以由下式求得压力传感器布放的静水深度：

式中：籽为海水密度，值为1.025伊103kg/m3；g为重力系数，值为9.81 N/kg。因而求得压力传感器布放的静水深度h=3.4 m，这与图1中压力传感器布放位置基本吻合，证明在实测中传感器安装位置精度可靠。

在图2中，当f=2.21伊10-5Hz时，压强幅值出现一个小的峰值，其对应的周期T=1/f约为4.5伊104s，即为12.5 h。该频率下的压强是由当地显著的“半日潮”引起的。采用上述方法对安装在相同水平高度的传感器A-2和B-2进行FFT分析，进而得到传感器A-2和B-2在频率f=0 Hz时，对应的幅值为0.22 MPa，由此计算得到传感器A-2和A-1两层传感器之间的距离为8.1 m，考虑到水下安装的困难，这一误差在允许的范围内。

为了准确得到波浪引起的压强数据，采用低通滤波方法处理实测数据，将低频和高频成分进行分离。图3分别给出了原始测量数据和低通滤波后的数据，可以发现滤波后的时历出现了明显的周期性，该周期性体现了桥位海域突出的“半日潮”现象。原始数据与低通滤波后的数据之间的差值即为由波浪引起的波频成分（如图4所示），与潮流引起的压强相比，波浪导致的压强值较小，最大值在4 kPa附近。

图3 原始测量结果与低通滤波结果比较（传感器A-1）Fig.3 Result comparison of original measured data and filtering data(Sensor A-1)

图4 波浪压强（传感器A-1）Fig.4 Wave pressure(Sensor A-1)

4 结语

本文依托中马友谊大桥项目，主要进行了大直径钢护筒压强现场监测工作，采用FFT和低通滤波手段，分离实测数据中各不同频率分量，准确确定了“半日潮”周期和波浪引起的压强分量，得到了距离海平面特定水深位置处由波浪引起的压强值，为估算大直径钢护筒所受波浪荷载提供了数据支撑。由于现场监测工作内容庞杂以及经费预算所限，实际监测的位置较少，且水下固定传感器困难重重，导致实际安装位置与目标位置之间有偏差，下一步将进行更为细致的现场监测工作。

[1] MORISON J,JOHNSON J,SCHAAF S.The force exerted by sur原face waves on piles[J].Journal of Petroleum Technology,1950(5):49-54.

[2]KEULEGAN G,CARPENTER L.Forces on cylinders and plates in an oscillating fluid[M].Journal Research of the National Bureau of Standards,1958.

[3]俞聿修.孤立桩柱上不规则波浪力的计算[J].海洋学报：中文版，1980，2（4）：132-146.YU Yu-xiu.Calculation of irregular wave forces on an isolated pile[J].Acta Oceanologica Sinica:Chinese,1980,2(4):132-146.

[4]俞聿修，张宁川.双桩桩列上的不规则波浪力[J].大连工学院学报，1988，27（1）：103-112.YU Yu-xiu,ZHANG Ning-chuan.Random wave forces on dual piles[J].Journal of Dalian Institute of Technology,1988,27(1):103-112.

[5]俞聿修，张宁川.三桩桩列上的不规则波浪力[J].港口工程，1989（3）：1-7.YU Yu-xiu,ZHANG Ning-chuan.Random wave forces on threepiles[J].Harbor Engineering,1989(3):1-7.

[6] KRIEBEL D L.Nonlinear wave interaction with a vertical circular cylinder:wave forces[J].Ocean engineering,1998,25(7):597-605.

[7]OHL C O G,EATOCK TAYLOR R,TAYLOR P H,et al.Water wave diffraction by a cylinder array:Part 1 Regular waves[J].Journal of Fluid Mechanics,2001(4):1-32.

[8]兰雅梅，郭文华，刘桦，等.规则波中承台和桩柱水动力的实验研究[J].水动力学研究与进展：A 辑，2010，25（4）：551-558.LAN Ya-mei,GUO Wen-hua,LIU Hua,et al.Experimental study on hydrodynamics loads on a horizontal slab and pile in regular wave[J].Journal of Hydrodynamics:Series A,2010,25(4):551-558.

[9] ZHAO Wen-hua,YANG Jian-min,HU Zhi-qiang,et al.Fullscale measurement investigation of the hydrodynamics of a turretmoored FPSO in a typhoon and deduction of its mooring loads[J].Ships and Offshore structures,2012(3):85-95.

Field pressure data in steel casing of main pier in China-Maldives Bridge

ZHANG Hong1,2,ZHANG Yong-tao1,GAO Ning-bo1,3,YOU Xin-peng1,WAN Meng2
（1.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China;2.CCCC Wuhan ZhiXing International Consulting Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China;3.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China）

Large-diameter steel casing is widely used as pile-foundation during design and construction of open sea bridges,and its wave force problem is one of hot issues in ocean engineering.Most of the existing results are based on numerical simulations and model tests,however results on in-situ monitoring are fewer.Relying on"One Belt One Road" landmark project China-Maldives Bridge,we installed multiple sets of pressure sensors on No.20 pier column of main bridge,and carried out field monitoring of environmental loads.The methods of Fast Fourier Transform and filtering are adopted to analyze measured data,separate the different frequency components,convince the period of tide and extract wave pressure which the maximum wave pressure is about 4 kPa.The according conclusion is of great significance for the design of temporary structures.

steel casing;pressure sensor;environmental load;Fourier Transform

U441.2

2095-7874（2017）12-0030-03

10.7640/zggwjs201712007

2017-05-04

2017-06-16

中国博士后科学基金（2017M612541）

张鸿（1962— ），男，湖北武汉人，博士，教授级高级工程师，总工程师，桥梁工程专业。E-mail：zhanghong_harbor@163.com