线性波与海流共同作用下的群桩受力研究

田恒葵

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

跨海桥梁从修建到运营始终面临着波浪、海流、潮汐等作用[1]，对于跨海桥梁下部结构，波流荷载(波浪和海流)是作用在墩柱上最主要的荷载，必须加以考虑和重视。群桩结构形式作为跨海桥梁最常见的基础形式之一，在波浪和海流(以下简称波流)共同作用下，其受力与单桩有很大区别[2]。而且，在波浪的基础上加入海流，使得结构受力将变得更为复杂。围绕着在波流联合作用下的群桩受力问题，各国学者都进行了广泛的研究。

Sarpakaya和Chakrabari[3]通过大量的试验认为，光滑柱体的CM、CD是雷诺数Re和KC的函数；任佐皋[4]通过数理统计，得出了同向波流对单桩的计算力公式；李玉成等人[5-7]研究了单柱与串、并列双柱在规则波与水流共同作用下,圆柱上阻力和横向力的受力特征；张宁川和俞聿修[8]研究了群桩效应与KC数的关系，相对桩距和波浪方向的影响；皇甫熹、兰雅梅等人[9]通过试验分析讨论群桩中各组成桩及群桩总体折减系数随KC数的变化、受水深及流速的影响。然而，由于缺乏有效理论方法支持，国内外桥梁规范对波流力作用下的群桩效应计算还并不完善，因此对跨海大桥下部结构所受到的波流力开展数值模拟研究十分必要。本文通过ICEM建模，Matlab编码，将UDF函数导入到Fluent中实现群桩结构在波流作用下的数值模拟，研究了在不同流速的工况下，不同桩的阻力的时程曲线以及单桩干扰系数[10]的一些变化情况，具有工程指导意义。

1 试验概况

模型以某实际的高桩承台为背景，对于单桩，水槽尺寸设置为150 m×18 m×16 m；对于群桩，水槽尺寸设置为150 m×70 m×16 m，按照梅花形布置为5根桩；群桩直径D=1.8m，外围四根桩间距为7 m，柱高16 m；试验水深为10 m；本文工况的波浪理论选取为线性波理论，波浪要素如下：波高H=0.5m，波长L=25m，周期T=4.03s，选取不同的海流流速与之组合。水槽及模型布置图见图1，试验工况组合见表1(包括群桩与单桩)。

(a) 单桩水槽模型示意

(b) 群桩水槽模型示意图1 水槽及模型布置

试验工况海流流速v1020.23142

2 数值模拟

通过ANSYS ICEM建立几何模型并划分六面体网格，对于模型，为了防止边壁效应的影响，水槽宽度均取为10D；在水槽的入口处，液面处和结构物周围均做了加密，单桩模型单元划分为30×104；群桩模型单元划分为87×104，二者网格质量均在0.8以上。设置边界条件以及初始条件：入口处用UDF函数处理，采用速度入口造波(流)实现波流联合作用；出口采用明渠出流设置并设置消波段，这样可以将波流中波浪成分消去而保留海流成分，满足试验要求；两侧设置为Symmetry边界；底部为Wall边界；顶部为Pressure-outlet边界。

3 结果分析

3.1 阻力的时程分析

通过对群桩所受阻力进行时程分析，研究群桩的受力特性，进而探究其受力机理。分别绘制不同工况下，1#～3#桩的阻力时程曲线(截取40～60 s的稳定段；根据对称性，4#桩、5#桩分别于1#桩、2#桩受力相同，不再赘述)，包括每根桩的阻力以及单桩的阻力(图2～图4)。

(a)v=0m/s(纯波)

(b)v=0.2m/s

(c)v=1m/s

(d)v=2m/s图2 不同海流流速下1#桩与单桩的阻力时程曲线对比

(a)v=0m/s(纯波)

(b)v=0.2m/s

(c)v=1m/s

(d)v=2m/s图3 不同海流流速下2#桩与单桩的阻力时程曲线对比

由图2～图4可知，对于纯波工况(海流流速v=0m/s)，群桩结构1#桩、2#桩所受到的阻力与单桩几无差异；3#桩所受到的阻力则略小于单桩。随着流速的逐渐增大，当流速较小时(v=0.2m/s)，由于各桩之间相互干扰的存在，1#～3#桩所受到的阻力都明显小于单桩情况，但差异不大。当流速v=1m/s时，可以看到，海流对结构作用力的影响已经占据较大的比例，群桩所受阻力的时程曲线整体向上抬升。当流速很大时(v=2m/s)，此时群桩结构所受到的阻力，海流影响已经占据主动，波浪影响已经处于次要地位。

3.2 群桩效应系数分析

群桩结构在计算波流力时与单桩结构存在一定差异。波浪的峰值不可能同时通过所有的桩柱，各桩柱所受波浪力存在着相位差；同时，在波浪的基础上加入海流，波浪波要素发生变化，群桩受力将更为复杂。目前计算群桩波流力广泛采用的方法是以单桩所受的波流力为基础，通过试验研究或者数值模拟的方法得到群桩结构在不同工况下某根桩的波流力大小，在通过与单桩波流力的比值得到群桩效应系数，并分析群桩效应与各种相关参数的内在关系，包括相对桩径、波浪要素和相对流速等。在应用时，直接将一定条件下的单桩乘以相应的群桩效应系数即可得到群桩结构某根桩的波流力。

(a)v=0 m/s(纯波)

(b)v=0.2 m/s

(c)v=1 m/s

引入单桩干扰系数Ki这个概念，Ki表示对于群桩结构，其某根桩所受到的最大波流力Fimax与相同条件下单桩所受到的最大波流力Fmax的比值。定义如下：

(d)v=2 m/s图4 不同海流流速下3#桩与单桩的阻力时程曲线对比

图5是根据Origin拟合出来的图形线，由于工况相对简单，故而直接连成直线。由图5可知，1#～3#桩的单桩干扰系数整体变化趋势是随着海流流速的增大，先减小，后增大。但数值变化幅度在0.8～1.2之间。

4 结论

(1)群桩结构中，在波流联合作用下，当流速较小时，1#～3#桩由于各组成桩之间的相互作用和流场中旋涡的相互作用，其所受到的阻力小于单桩所受到的阻力；但随着流速增大，群桩组成桩所受到的阻力又大于单桩情况。

图5 单桩干扰系数

(2)对于任意排列方式的群桩结构，某根桩的单桩干扰系数是否总是随着流速的增大呈现先减小后增大的变化趋势仍需要进一步的研究。