杭州湾海域桥梁承台水平方向波浪荷载研究.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:浙江省自然科学基金项目()浙江省省属科研院所扶持专项(海岸)浙江省水利厅计划项目()作者简介:董伟良男工程师硕士主要从事海岸动力学研究 :.文章编号:()引用本文:董伟良邵杰黄世昌等.杭州湾海域桥梁承台水平方向波浪荷载研究.人民长江():.杭州湾海域桥梁承台水平方向波浪荷载研究董 伟 良邵杰黄 世 昌闫 杰 超(.浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院)浙江 杭州 .河海大学 港口海岸与近海工程学院江苏 南京 .中铁大桥勘测设计院集团有限公司湖北 武汉)摘要:针对杭州湾海域跨海桥梁承台最大水平方向波浪荷载缺乏普适性计算公式的问题收集分析了杭州湾海域波浪特性及主要跨海桥梁通航孔桥墩承台尺寸特征 通过矩形概化承台构建了三维数值波浪水槽模型根据承台水平方向波浪荷载系列数值计算结果提出了适用于跨海桥梁承台最大水平方向波浪荷载的简易计算方法且讨论了计算方法对不同形状承台和不同流速等情况的适用性 结果表明:承台水平方向波浪荷载计算方法的计算结果和前人研究成果基本一致受承台阻水作用矩形承台水平方向波浪荷载大于圆形承台通过修改公式参数计算方法也可以用于不同形状承台水平方向波浪荷载计算随着流速增加承台水平方向波浪荷载也在逐渐增加承台水平方向波浪荷载随承台相对长度 的变化规律与纯波情况基本类似但最大水平方向波浪荷载对应的 有所减小关 键 词:跨海桥梁 大型承台 水平方向波浪荷载 数值计算中图法分类号:.文献标志码:./.引 言中国跨海桥梁的桥墩一般采用大型沉井或高桩承台结构沉井结构相对简单计算方法较多而由桩基、承台和墩身组成的高桩承台结构水平方向波浪荷载计算十分复杂 桩基和墩身平面结构尺寸相对较小水平方向波浪荷载直接采用 公式就可较准确地计算出来中、美、英规范均采用该方法 因承台平面尺寸相对较大小尺度结构物受力计算方法已不适用且承台会产生波浪散射干扰入射波浪场继而影响承台受力使得承台受力分析变得复杂许多目前常采用波浪绕射理论计算大尺寸结构物波浪荷载美国海上移动钻井平台建造和入级规范、英国海工建筑物、德国劳式规范和准则、日本港湾设计技术标准及编制说明和中国港口与航道水文规范等均如此但现有规范尚无明确的承台水平方向波浪荷载计算公式一般采用桥墩波流力数值计算或通过物理模型试验进行研究 为此许多学者也进行了相关研究李剑等分析了 方程、绕射理论和 不同方法计算承台波浪荷载的差异张胡等以线性波浪绕射理论为基础建立了大尺度结构波浪荷载三维数学模型研究了大尺度结构波浪荷载 邓莎莎等基于绕射理论研究了大尺度桥墩波浪荷载计算方法 孙冰等通过物理实验与数值模拟的对比分析了桩基承台结构在计算波浪荷载时的计算方法 徐博等通过建立波浪与高桩承台相互作用三维数值模型研究了承台波浪荷载时程特性、承台周围流场以及净空对水平方向波浪荷载的影响规律由于承台在波浪作用下的受力分析缺乏相关规范和简易快速计算方法在实际应用过程中缺乏科学指 人 民 长 江 年导因此对跨海桥梁承台水平方向波浪荷载进行研究十分必要 基于此本文以杭州湾海域波浪条件和跨海桥梁承台结构尺寸为参考采用矩形概化承台进行承台波浪荷载数值模拟并在此基础上给出了承台水平方向波浪荷载计算方法继而探讨了承台形状和流速对波浪荷载的影响 杭州湾波浪条件杭州湾地理形状为喇叭形湾内水深从南向北总体上由浅变深其中分布有不少岛屿北部有深槽湾内波浪受地形和湾口舟山群岛影响而变得复杂 杭州湾附近波浪测站主要有嵊山站、大戢山站、滩浒站、乍浦站、外游山站等具体位置见图 根据茹荣忠等实测结果可知大戢山站实测最大波高为 左右滩浒站实测最大波高为 左右大游山实测最大波高为 左右乍浦站实测最大波高为 左右杭州湾波浪整体以风浪为主其中部、东北部和东部的波浪较北部及西北部的大舟山群岛东部海域受风浪和涌浪同时作用波浪周期比杭州湾内大其中嵊山站、大戢山站、滩浒站、乍浦站年、外游山站年最大波周期分别为 左右 自然资源部第二海洋研究所分别于 年对杭州湾中部、年对舟山岛东北部海域台风浪进行实地测量研究发现杭州湾内谱峰周期范围为 舟山群岛东北海域谱峰周期基本在 图 杭州湾海域波浪站和跨海桥梁分布.杭州湾桥梁概况环杭州湾地区位于中国经济发达的长三角周边有上海、杭州、宁波等大都市以及宁波舟山港、上海洋山深水港这两个亿吨大港对跨海桥梁有着巨大需求如图 所示近年来杭州湾、舟山群岛海域已建设了诸多跨海桥梁如东海大桥、金塘大桥、杭州湾跨海大桥、秀山大桥、鱼山大桥、岱山大桥近期还将建设多座跨海大桥如杭州湾铁路桥、西堠门公铁两用大桥、六横大桥等未来还将规划实施沪甬及沪舟甬跨海大通道等使得该区域形成具有一定规模的跨海桥梁群图 为杭州湾海域部分跨海桥梁通航孔主墩、辅助墩、过渡墩等主要桥墩的承台尺寸(部分含防撞设施)从图中可知通航孔承台横桥向长度基本在 顺桥向长度基本在 图 杭州湾海域主要跨海桥梁承台尺寸.研究方法.承台水平方向波浪荷载数值计算通过 软件平台建立桥梁承台水平方向波浪荷载数值水槽模型模型计算结果和跨海大桥桥墩波流力物理模型试验结果吻合良好由于杭州湾海域桥梁承台形式多种多样为方便研究采用矩形承台结构来统一概化承台形状在计算过程中承台长度(沿波浪传播方向)选取 和 承台宽度 (垂直波浪传播方向)保持不变承台顶、底高程统一取 和 海底高程取为 根据杭州湾海域波浪条件考虑到平常和极端波况波高 选择 和 共 种波浪周期 选择 和 共 种来进行桥梁承台水平方向波浪荷载研究.承台水平方向波浪荷载计算公式假定波浪是不可压缩的理想流体流场中存在速度势 如果入射波为波高足够小的线性波并且墩柱结构物上的波浪力可采用线性理论此时波浪绕射问题为线性绕射问题 第 期 董伟良等:杭州湾海域桥梁承台水平方向波浪荷载研究由于圆柱的线性波绕射问题有解析解在公式推导过程中一般考虑圆形截面根据 绕射理论进行推导则作用在某深度圆柱截面上的单位长度水平荷载 为 ()()()()()()式中:为水体密度 为重力加速度 为波长 为圆柱半径 为波数 为圆柱截面相对水面所在位置为水深 为时间 为圆频率 为初始相位式()中第一个 表示圆形承台阻水长度则矩形承台中第一个 可用矩形承台宽度 的一半进行替换()/表示圆形承台半径和波长的关系则矩形承台中此处 可用矩形承台长度 的一半进行替换 然后在承台高度范围内沿垂向积分求得承台水平方向波浪荷载最大值为()()()()()式中:为承台水平方向波浪荷载最大值为承台顶到海底距离若承台顶高于水面则 为承台底到海底距离承台相对长度 /.为承台长度 的一半()/为与承台形状、长度、波长和流速有关的系数 计算结果分析.承台水平方向波浪荷载系数确定将不同淹没度、波高、周期、承台长度等条件下的承台水平荷载计算值按式()反算得出的()/绘制于图 中 从图中可以看出()/随 增大而先增后减当 为 .时存在最大值 根据数值计算结果拟合出()/的变化关系式为()()式中:为系数此处取 .为()/取最大值时 的值此处取.从图 中可以看出当 为.时式()计算值和数值计算结果吻合较好可基本反映()/随承台相对长度 的变化关系图 为、和 等的研究成果和式()计算结果的对比从图中可以看出式()计算结果和前人研究成果基本一致 为方便起见将式()改写成和 方程中水平荷载惯性项同样的形式得到惯性力系数 为()()()图 数值模拟结果和式()计算结果.图 前人研究成果和式()计算结果对比.形状对承台水平方向波浪荷载影响选用直径为 的圆形承台和长宽均为 的矩形承台作为研究对象 图 是通过数值水槽计算圆、矩形承台水平方向波浪荷载反算得到的()/随 变化规律其中波高 波周期 为 和 从图中可以看出矩形承台()/值大于圆形承台 由于矩形承台存在棱角在波动场中波浪更容易产生涡及涡脱落现象圆形承台几乎不产生涡及涡脱落现象矩形承台对波浪的阻挡作用更为明显继而矩形承台水平荷载更大研究发现当式()中 .、.圆形承台数值计算的水平方向波浪荷载和式()计算结果基本一致 同时采用 研究成果和式()计算结果进行对比验证如图 所示式()计算结果和 研究成果吻合较好差异基本在 以内根据 理论计算出圆形承台和矩 人 民 长 江 年图 矩、圆形承台()/随 变化规律.()/图 研究成果和式()计算结果 形承台水平荷载比值 为()/()()假定矩形承台和圆形承台波浪绕射系数相同则圆形承台和矩形承台水平荷载比值 为 ()/()()将比值 随 变化关系绘制于图 从图中可以看出式()、式()和数值计算结果均表明在本文研究范围内随着 增加比值 逐渐减小 当 为.时式()和式()计算结果均与数值计算结果基本接近比值 基本在.之间随着 增加式()计算的 值减小较快与数值计算结果差异较大但式()计算结果与数值计算结果基本一致.流速对承台水平方向波浪荷载影响波高 时将不同流速(为 /)和周期条件下的矩形承台水平方向波浪荷载及其对应的()/值绘制于图 中 从图中可以看出随着流速的增加承台水平荷载也在增加不同流速下()/随 变化规律和无流速时类似均先增后减通过修改式()中 和 值式()也将适用 由于流速增加后波长变长 值减小所以()/最大值对应的 值有所减小图 矩形承台和圆形承台水平方向波浪荷载比值.图 不同流速下()/随 的变化规律.()/结 论()参考杭州湾海域波浪特性和跨海桥梁承台结构尺寸特征建立了桥墩承台数值波浪水槽模型并根据波浪绕射理论提出了考虑多因素的承台水平方向波浪荷载计算方法该方法能够快速方便地计算出承台水平方向最大波浪荷载()由于矩形承台对波浪阻碍作用大于圆形承台矩形承台水平方向波浪荷载大于圆形承台当 为.时矩形承台水平方向波浪荷载基本是圆形承台的.倍通过修改式()中 和 值后计算方法同样适用于不同形状承台水平方向波浪荷载计算()承台水平方向波浪荷载基本随着流速增加逐渐增大承台水平方向波浪荷载随 的变化规律与纯波情况相近流速增加导致承台相对长度 变小最大水平方向波浪荷载对应的 值也减小参考文献:房忱李永乐秦顺全等.中、美、英规范关于跨海桥梁桩基波浪力的对比.桥梁建设():.第 期 董伟良等:杭州湾海域桥梁承台水平方向波浪荷载研究 兰雅梅刘桦皇甫熹等.东海大桥桥梁桩柱承台水动力模型试验研究 第二部分:作用于群桩及承台上的波流力.水动力学研究与进展():.黄华定于旭东.金塘大桥波流力的分析研究.公路():.周卫滨徐祖恩于雪晖.乐清湾大桥桥梁基础波浪力计算研究.公路交通技术():.吴启和牛照田唯等.港珠澳大桥埋置承台与桩波流作用动力响应分析与试验研究.中外公路():.梅大鹏刘清君胡勇等.跨海桥梁承台波流力计算方法与合成系数研究及应用.世界桥梁():.李剑季新然张昊宸.大尺度承台结构波浪力计算方法比较.公路():.张胡刘清君王登婷.大尺度结构波浪力计算研究.水道港口():.邓莎莎沈火明刘浪等.基于绕射理论的大尺度桥墩波浪力计算方法.西南交通大学学报():.孙冰张昊宸季新然等.波浪作用下桩基承台结构的波浪力计算.水运工程():.徐博魏凯.基于 的跨海桥梁高桩承台波浪作用数值模拟.铁道标准设计():.茹荣忠蒋胜利.杭州湾的波浪概况.东海海洋():.杨斌杨忠良叶钦等.杭州湾中部实测波浪特性分析.海洋工程():.杨斌施伟勇叶钦等.舟山岛东北部沿海实测台风浪特性.水科学进展():.董伟良诸裕良胡金春等.跨海桥梁大尺寸承台波浪力数值模拟研究.水道港口():.:.:.():.(编辑:黄文晋)(.().):.: