線性波與海流共同作用下的群樁受力研究

田恒葵

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

跨海橋梁從修建到運(yùn)營始終面臨著波浪、海流、潮汐等作用[1]，對(duì)于跨海橋梁下部結(jié)構(gòu)，波流荷載(波浪和海流)是作用在墩柱上最主要的荷載，必須加以考慮和重視。群樁結(jié)構(gòu)形式作為跨海橋梁最常見的基礎(chǔ)形式之一，在波浪和海流(以下簡(jiǎn)稱波流)共同作用下，其受力與單樁有很大區(qū)別[2]。而且，在波浪的基礎(chǔ)上加入海流，使得結(jié)構(gòu)受力將變得更為復(fù)雜。圍繞著在波流聯(lián)合作用下的群樁受力問題，各國學(xué)者都進(jìn)行了廣泛的研究。

Sarpakaya和Chakrabari[3]通過大量的試驗(yàn)認(rèn)為，光滑柱體的CM、CD是雷諾數(shù)Re和KC的函數(shù)；任佐皋[4]通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)，得出了同向波流對(duì)單樁的計(jì)算力公式；李玉成等人[5-7]研究了單柱與串、并列雙柱在規(guī)則波與水流共同作用下,圓柱上阻力和橫向力的受力特征；張寧川和俞聿修[8]研究了群樁效應(yīng)與KC數(shù)的關(guān)系，相對(duì)樁距和波浪方向的影響；皇甫熹、蘭雅梅等人[9]通過試驗(yàn)分析討論群樁中各組成樁及群樁總體折減系數(shù)隨KC數(shù)的變化、受水深及流速的影響。然而，由于缺乏有效理論方法支持，國內(nèi)外橋梁規(guī)范對(duì)波流力作用下的群樁效應(yīng)計(jì)算還并不完善，因此對(duì)跨海大橋下部結(jié)構(gòu)所受到的波流力開展數(shù)值模擬研究十分必要。本文通過ICEM建模，Matlab編碼，將UDF函數(shù)導(dǎo)入到Fluent中實(shí)現(xiàn)群樁結(jié)構(gòu)在波流作用下的數(shù)值模擬，研究了在不同流速的工況下，不同樁的阻力的時(shí)程曲線以及單樁干擾系數(shù)[10]的一些變化情況，具有工程指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)概況

模型以某實(shí)際的高樁承臺(tái)為背景，對(duì)于單樁，水槽尺寸設(shè)置為150 m×18 m×16 m；對(duì)于群樁，水槽尺寸設(shè)置為150 m×70 m×16 m，按照梅花形布置為5根樁；群樁直徑D=1.8m，外圍四根樁間距為7 m，柱高16 m；試驗(yàn)水深為10 m；本文工況的波浪理論選取為線性波理論，波浪要素如下：波高H=0.5m，波長L=25m，周期T=4.03s，選取不同的海流流速與之組合。水槽及模型布置圖見圖1，試驗(yàn)工況組合見表1(包括群樁與單樁)。

(a) 單樁水槽模型示意

(b) 群樁水槽模型示意圖1 水槽及模型布置

試驗(yàn)工況海流流速v1020.23142

2 數(shù)值模擬

通過ANSYS ICEM建立幾何模型并劃分六面體網(wǎng)格，對(duì)于模型，為了防止邊壁效應(yīng)的影響，水槽寬度均取為10D；在水槽的入口處，液面處和結(jié)構(gòu)物周圍均做了加密，單樁模型單元?jiǎng)澐譃?0×104；群樁模型單元?jiǎng)澐譃?7×104，二者網(wǎng)格質(zhì)量均在0.8以上。設(shè)置邊界條件以及初始條件：入口處用UDF函數(shù)處理，采用速度入口造波(流)實(shí)現(xiàn)波流聯(lián)合作用；出口采用明渠出流設(shè)置并設(shè)置消波段，這樣可以將波流中波浪成分消去而保留海流成分，滿足試驗(yàn)要求；兩側(cè)設(shè)置為Symmetry邊界；底部為Wall邊界；頂部為Pressure-outlet邊界。

3 結(jié)果分析

3.1 阻力的時(shí)程分析

通過對(duì)群樁所受阻力進(jìn)行時(shí)程分析，研究群樁的受力特性，進(jìn)而探究其受力機(jī)理。分別繪制不同工況下，1#～3#樁的阻力時(shí)程曲線(截取40～60 s的穩(wěn)定段；根據(jù)對(duì)稱性，4#樁、5#樁分別于1#樁、2#樁受力相同，不再贅述)，包括每根樁的阻力以及單樁的阻力(圖2～圖4)。

(a)v=0m/s(純波)

(b)v=0.2m/s

(c)v=1m/s

(d)v=2m/s圖2 不同海流流速下1#樁與單樁的阻力時(shí)程曲線對(duì)比

(a)v=0m/s(純波)

(b)v=0.2m/s

(c)v=1m/s

(d)v=2m/s圖3 不同海流流速下2#樁與單樁的阻力時(shí)程曲線對(duì)比

由圖2～圖4可知，對(duì)于純波工況(海流流速v=0m/s)，群樁結(jié)構(gòu)1#樁、2#樁所受到的阻力與單樁幾無差異；3#樁所受到的阻力則略小于單樁。隨著流速的逐漸增大，當(dāng)流速較小時(shí)(v=0.2m/s)，由于各樁之間相互干擾的存在，1#～3#樁所受到的阻力都明顯小于單樁情況，但差異不大。當(dāng)流速v=1m/s時(shí)，可以看到，海流對(duì)結(jié)構(gòu)作用力的影響已經(jīng)占據(jù)較大的比例，群樁所受阻力的時(shí)程曲線整體向上抬升。當(dāng)流速很大時(shí)(v=2m/s)，此時(shí)群樁結(jié)構(gòu)所受到的阻力，海流影響已經(jīng)占據(jù)主動(dòng)，波浪影響已經(jīng)處于次要地位。

3.2 群樁效應(yīng)系數(shù)分析

群樁結(jié)構(gòu)在計(jì)算波流力時(shí)與單樁結(jié)構(gòu)存在一定差異。波浪的峰值不可能同時(shí)通過所有的樁柱，各樁柱所受波浪力存在著相位差；同時(shí)，在波浪的基礎(chǔ)上加入海流，波浪波要素發(fā)生變化，群樁受力將更為復(fù)雜。目前計(jì)算群樁波流力廣泛采用的方法是以單樁所受的波流力為基礎(chǔ)，通過試驗(yàn)研究或者數(shù)值模擬的方法得到群樁結(jié)構(gòu)在不同工況下某根樁的波流力大小，在通過與單樁波流力的比值得到群樁效應(yīng)系數(shù)，并分析群樁效應(yīng)與各種相關(guān)參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系，包括相對(duì)樁徑、波浪要素和相對(duì)流速等。在應(yīng)用時(shí)，直接將一定條件下的單樁乘以相應(yīng)的群樁效應(yīng)系數(shù)即可得到群樁結(jié)構(gòu)某根樁的波流力。

(a)v=0 m/s(純波)

(b)v=0.2 m/s

(c)v=1 m/s

引入單樁干擾系數(shù)Ki這個(gè)概念，Ki表示對(duì)于群樁結(jié)構(gòu)，其某根樁所受到的最大波流力Fimax與相同條件下單樁所受到的最大波流力Fmax的比值。定義如下：

(d)v=2 m/s圖4 不同海流流速下3#樁與單樁的阻力時(shí)程曲線對(duì)比

圖5是根據(jù)Origin擬合出來的圖形線，由于工況相對(duì)簡(jiǎn)單，故而直接連成直線。由圖5可知，1#～3#樁的單樁干擾系數(shù)整體變化趨勢(shì)是隨著海流流速的增大，先減小，后增大。但數(shù)值變化幅度在0.8～1.2之間。

4 結(jié)論

(1)群樁結(jié)構(gòu)中，在波流聯(lián)合作用下，當(dāng)流速較小時(shí)，1#～3#樁由于各組成樁之間的相互作用和流場(chǎng)中旋渦的相互作用，其所受到的阻力小于單樁所受到的阻力；但隨著流速增大，群樁組成樁所受到的阻力又大于單樁情況。

圖5 單樁干擾系數(shù)

(2)對(duì)于任意排列方式的群樁結(jié)構(gòu)，某根樁的單樁干擾系數(shù)是否總是隨著流速的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)仍需要進(jìn)一步的研究。