海啸冲击下沿海桥梁受力分析

赵万里

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着沿海桥梁的大量修建，桥梁结构在极端条件下由海啸冲击所造成的破坏，受到了越来越多的关注。国外灾后调查表明在海啸冲击下沿海桥梁所受破坏以梁的位移及倾覆为主，因此对桥梁上部结构海啸力的研究显得尤为重要。

国内外学者开展了研究，Goring和Raichle[1]提出了一种推板水平运动实现孤立波的方法。Synolakis[2]改进了孤立波爬坡方程获得了更高精度的解析解。Wu等[3]改进了Goring 和 Raichlen[1]的造波方法，使波幅高的孤立波在远距离传播上更稳定。Lo和Liu[4]研究孤立波对淹没平板冲击力的理论解可行性。Sugimoto[5]以溃坝的方式模拟海啸波对T梁的冲击。Hayatdavooodi和Ertekin[6]进行水槽实验及数值研究了孤立波对淹没平板、T梁作用力，研究不同淹没参数及波高对T梁海啸作用力的影响。孟庆利[9]研究了桥面板开孔对减轻T梁海啸作用力的影响。然而海啸爬坡后对桥梁的冲击力计算还不完善，因此开展相关研究十分必要。

本文通过在Mathematic计算造波板运动速度，Matlab编写UDF，导入Fluent中实现以孤立波爬坡模拟海啸对T梁冲击。首先验证了数值水槽的准确性，研究了不同淹没系数，不同斜坡倾斜度对T梁海啸力的影响。

1 工况说明

模型尺寸以Hayatdavooodi和Ertekin[7](2014)按1∶35的缩尺比所做实验为参考。实验水槽尺寸为9.14 m×0.152 m×0.39 m,T梁距推波板2.92 m,水深h=0.114m，孤立波波高a=0.0342m;对于斜坡模型水槽尺寸为9.14 m×0.152 m×0.8 m，T梁距推波板3.4 m水深0.228 m，孤立波波高a=0.0684 m，水槽前0.3 m为推波板造波区，斜坡距推波板2 m，坡长1 m，斜坡倾角正切tanθ=1∶10和1∶20。当T梁未完全淹没时；淹没系数为z/h，其中z为液面到桥面板下缘距离；当完全浸没时，淹没系数为z*/h，其中z*为液面到桥面板上缘距离。水槽布置见图1，试验工况见表1。

(a)T梁截面

(b)淹没系数示意

(c)水槽及斜坡示意图1 水槽布置(单位:m)

2 数值模拟

本文在ICEM中导入几何模型，划分结构化网格，液面及T梁周边网格加密(图2)，出口处进行网格稀疏利用数值耗散进行消波，以使回波不影响冲击峰值的监测。在Fluent中采用压力求解器，近壁面采用可滑移壁面函数，动态分层划分动网格的刚体运动，选择不可压缩流的N-S为控制方程，VOF方法监测自由液面，RNGk-e湍流模型，并采用PISO算法进行迭代计算，其中数值水槽顶部为Pressure-outlet边界；两侧为Symmetry边界,入口、出口及T梁为Wall边界，时间步长为0.002 s。

表1 水槽参数

图2 水槽网格划分

2.1 水槽验证

基于Hayatdavooodi和Ertekin[7](2014)所做实验研究，选择h=0.114，a=0.0342，z*/h=0.3工况进行数值水槽准确性验证。监测距推波板1 m处液面波高，T梁水平力、竖向力的时程曲线和实验值进行对比。由于实验T梁宽0.149 m，水槽宽度0.152 m，结构物与存在空隙，数值水槽采用0.152 m作为T梁宽，忽略空隙的影响，使得三维数值模型和实验结果有所差异，总体上数基本吻合，波峰数值解和理论解误差3.4 %，竖向力及水平力峰值误差都在8 %以内，表明网格划分及湍流模型选择可以有效模拟海啸对T梁的冲击(图3)。

(a)孤立波波高值对比

(b)T梁海啸冲击竖向力对比

(c)T梁海啸冲击水平力对比

3 数值结果

3.1 淹没系数对冲击力的时程分析

通过监测z*/h=0(桥面板刚好完全淹没)及z/h=0.0835(T梁腹板半淹没)两种情况下冲击力的时程曲线，研究T梁在海啸爬坡冲击下的受力机理。不同淹没系数下水平力及竖向力时程曲线见图4、图5。

(a)tanθ=0

(b)tanθ=1∶20

(c)tanθ=1∶10

(a)tanθ=0

(b)tanθ=1∶20

(c)tanθ=1∶10

从图4中可知当倾角较小时，不同淹没系数时，T梁海啸冲击竖向力有显著差异，z/h=0.0835(腹板半淹没)的海啸冲击的竖向力峰值较z*/h=0(恰好完全淹没)大，并且因海啸冲击造成的腹板中间的空气压缩而在冲击过程中没有出现负压力。

图5中可知，T梁海啸冲击水平力受淹没系数变化的影响较小，并没有像海啸冲击竖向力一样出现显著变化，z/h=0.0835(腹板半淹没)时的水平力要比z*/h=0(恰好完全淹没)的水平力大，冲击过程中都存在因尾部湍流而产生的负压力。

3.2 斜坡倾角对冲击力的时程分析

通过监测T梁在斜坡tanθ=0(没有斜坡)、tanθ=1∶20、tanθ=1∶10,三种工况下海啸冲击力的时程曲线，研究不同斜坡倾角对T梁海啸冲击所产生的影响。不同倾角下水平力及竖向力的时程曲线见图6、图7。

(a)z*/h=0

(b)z/h=0.0835图6 不同倾角T梁海啸竖向力时程曲线

(a)z*/h=0

(b)z/h=0.0835图7 不同倾角T梁海啸水平力时程曲线

图6、图7可知当斜坡倾角较小时，倾角对T梁海啸冲击竖向力有正向性影响，峰值随着倾角的增加而变大，但变化不显著，且未明显改变竖向力时程曲线走向。知当斜坡倾角较小时，T梁海啸冲击水平力受斜坡倾角的影响明显，且随着角度的增加而明显增大。为了便于比较，提取海啸冲击时水平力和竖向力的峰值(图8)，可以明显的看出竖向力受淹没系数的变化波动大，而水平力对斜坡倾角变化波动大。

4 结论

(1)海啸对近岸T梁的冲击中，斜坡的存在，对水平力造成的影响不能忽视，较小的倾角也能明显改变水平力，且倾角较小时，T梁海啸冲击水平力峰值随倾角的变大而增大。

图8 工况峰值

(2)淹没系数对T梁海啸冲击竖向力作用明显，z/h=0.0835(腹板半淹没)较z*/h=0(恰好淹没)时有大幅增加，不同淹没系数对T梁海啸冲击竖向力影响机理仍需要进一步的研究。