孤立波作用下箱型主梁水动力特性研究

2024-01-08黄雯易伟清左光升胡传新

中国水运 2023年12期

黄雯，易伟清，左光升，胡传新＊

（武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉 430081）

近海桥梁由于其特殊的工作环境，会遭受到各种自然灾害所带来的破坏，其中台风和海啸引起的极端波浪对近海桥梁的影响极大，是造成桥梁损坏的主要因素[1-3]。美国于2005 年因飓风Katrina 引起极端波浪使数十座桥梁受到不同程度的损坏，对墨西哥湾沿岸地区的交通系统造成了严重破坏，仅修复或更换飓风期间受损的桥梁的总成本估计超过10 亿美元[4]。我国部分海域极端海况历时较长，强度较大[5]，因此开展极端波浪作用下近海箱梁桥所受波浪力的影响因素的研究，有助于近海桥梁上部结构优化，提高桥梁在极端灾害情况下的可靠度。

现有研究多为针对桩基、承台等桥梁下部结构的研究，对桥梁上部结构研究较少，虽然文献[6]开展了对桥梁上部结构的研究，但采用的是规则波浪，无法体现海洋环境的复杂性。本文基于SST k-ω 湍流模型和VOF方法，设计一个更符合实际海况的三维数值水槽，以孤立波代替极端波浪，分析不同波高、淹没深度、箱梁结构尺寸下箱梁的受力状态，为设计、施工提供一定参考。

1 数值模拟

1.1 数值模型的建立

以Hayatdavoodi[7]的实验模型为依据，建立数值模型，验证仿真模型的准确性。数值水槽长9.14m，宽0.152m，高0.39m，左侧为波浪入口，桥梁模型置于距入口2.92m 处，右侧为波浪出口，在距出口3m 处设置消波段。水槽布置如图1。

图1 水槽布置（单位：cm）

根据上述尺寸利用Geometry 进行建模，将模型导入ICEM 进行网格划分，水槽和模型均采用六面体网格，全局网格尺寸为0.01m，液面附近及桥梁局部细化尺寸为0.005m，划分网格数量为31 万，网格质量均在0.9以上。采用Fluent 模块进行求解设置，以VOF 方法来模拟多相流，选取SST k-ω 湍流模型，压力速度耦合采用PISO 算法。波浪入口选择速度入口并开启明渠造波，选用五阶孤立波理论进行造波。出口设置为压力出口，勾选明渠并设置自由水面位置进行消波，水槽顶部采用压力出口保证空气流通。综合计算精度与计算效率，时间步长取0.01s。

1.2 数值模型验证

为了验证数值水槽造波的有效性，本文采用三维数值波浪水槽计算结果Hayatdavoodi 的试验结果数据来进行对比。模拟工况选取与原试验一致，水深为0.086m，波高为0.0247m。对比结果如图2 所示，本文数值水槽模拟出的水平波浪力峰值和竖直波浪力峰值与文献数据有较好的吻合度，波谷值与文献数据稍有差异，这是由于实验在造波过程中，造波板与波浪分离时产生的涡流对波浪后端波形产生一定影响，但总体来看本文模拟数据与文献数据大体一致，说明本文数值水槽有较好的造波效果。

图2 波浪力数值解与文献对比

2 箱梁所受波浪力影响因素分析

为分析箱型主梁在孤立波作用下的受力情况，将数值水槽中的T 梁替换成尺寸相当的箱梁，箱梁模型长14.9cm，梁顶宽30.48cm，梁底宽14cm，详细尺寸如图3。箱梁所受波浪力的影响因素主要分为波浪参数和结构参数。在水深固定的情况下，孤立波可变参数仅有波高，结构参数方面本文准备从箱梁淹没系数和箱梁尺寸进行探究，其中淹没系数为箱梁淹没深度h 与箱梁高度H 的比值，工况见表1。

表1 工况简介表

图3 箱梁截面图（单位：cm）

2.1 波高对箱梁所受波浪力的影响

取水深为0.12m、淹没系数为0 进行代表性分析，绘制波高与波浪力峰值的变化曲线如图4。

图4 不同波高时模型所受最大波浪力

从图4 中可以看出波高从0.035m 增加至0.055m 期间，箱梁所受水平波浪力峰值和竖直波浪力峰值均随波高增大而增大，近似呈线性关系，且竖直波浪力峰值随波高变化更为显著。相同波高下，箱梁所受水平力峰值小于竖直力峰值，且二者差值随波高增大而增大，当波高为0.055m 时二者差值达到最大，约为箱梁所受竖直力峰值的76.6%。

2.2 箱梁淹没系数对箱梁所受波浪力的影响

取水深为0.12m、输入波高为0.06m 进行代表性分析，不同淹没系数下箱梁所受波浪力峰值变化如图5。

图5 不同淹没系数下模型所受最大波浪力

从图5 可以看出，水平波浪力峰值随箱梁淹没入水中深度的增加先减小后增大，总体随淹没系数变化不明显。对于竖直波浪力，当淹没系数在0～1.0 范围内时（即箱梁从底部接触水面到顶板刚好淹没入水中），箱梁所受竖直波浪力峰值随淹没系数的增大而增大，其增加幅度为102.6%，在淹没系数为1.0（即箱梁顶板刚好淹没入水中）时达到峰值。当淹没系数大于1.0（即箱梁完全淹没水中）后，箱梁所受竖直波浪力峰值随淹没系数的增加而减小，淹没系数在1.0～2.2 范围内减少幅度为28.2%。综上所述，箱梁水平波浪力峰值受淹没深度影响较小，而竖直波浪力峰值随淹没系数变化较为明显。当淹没系数为1.0 时，竖直波浪力峰值达到最大，说明当风暴潮来袭时，桥梁上部结构刚刚淹没水中时是最为危险的状态。

2.3 箱梁结构尺寸对箱梁所受波浪力的影响

本节通过改变箱梁高度和梁底宽度来研究箱梁结构尺寸对其所受波浪力的影响。保持翼缘板厚度、箱梁顶部宽度、腹板斜率不变，尽量减少其他局部尺寸的影响。

2.3.1 梁底宽度对箱梁所受波浪力的影响

取梁高为0.05m、水深为0.12m、输入波高为0.06m、淹没系数为0 进行代表性分析，不同梁底宽度下箱梁所受波浪力峰值变化曲线如图6。

图6 不同梁底宽度时模型所受最大波浪力

从图6 中可以看出，随梁底宽度增加箱梁所受水平波浪力峰值和竖直波浪力峰值均呈先增加后减少的趋势，但总体变化不大。梁底宽度从0.09m 增加至0.12m时，箱梁所受水平波浪力峰值增加19.0%，竖直波浪力峰值增加13.2%。梁底宽度从0.12m 增加至0.18m 时，箱梁所受水平波浪力峰值减少22.9%，竖直波浪力峰值减少16.4%。在箱梁高度不变的情况下，箱梁在水平和竖直方向的受力面积不变导致箱梁所受水平力波浪力峰值和竖直力波浪力峰值变化不大。

2.3.2 箱梁高度对箱梁所受波浪力的影响

选取梁底宽度为0.12m、水深为0.12m、输入波高为0.06m、淹没系数为0 进行代表性分析，不同箱梁高度下箱梁所受波浪力变化曲线如图7。

从图7 中可以看出，箱梁所受水平波浪力峰值和竖直波浪力峰值随箱梁高度增加而增加，其中竖直波浪力峰值增加趋势更明显。箱梁高度从0.04m 增加至0.05m时，箱梁所受竖直波浪力峰值变化不明显，当箱梁高度从0.05m 增加至0.07m 时，箱梁所受竖直波浪力峰值和水平波浪力峰值近似呈线性变化，其中竖直波浪力增加51.5%，水平波浪力增加146.1%。随箱梁高度增加，箱梁所受水平波浪力的有效受力面积增加导致水平波浪力峰值增大，滞留空气体积增加导致竖直波浪力峰值也增加。与改变箱梁宽度时箱梁所受波浪力变化相比，改变箱梁高度对箱梁所受波浪力变化影响更显著，这说明箱梁受到的波浪力对箱梁高度变化更加敏感。