海嘯沖擊下沿海橋梁受力分析

趙萬里

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著沿海橋梁的大量修建，橋梁結(jié)構(gòu)在極端條件下由海嘯沖擊所造成的破壞，受到了越來越多的關(guān)注。國(guó)外災(zāi)后調(diào)查表明在海嘯沖擊下沿海橋梁所受破壞以梁的位移及傾覆為主，因此對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)海嘯力的研究顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了研究，Goring和Raichle[1]提出了一種推板水平運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)孤立波的方法。Synolakis[2]改進(jìn)了孤立波爬坡方程獲得了更高精度的解析解。Wu等[3]改進(jìn)了Goring 和 Raichlen[1]的造波方法，使波幅高的孤立波在遠(yuǎn)距離傳播上更穩(wěn)定。Lo和Liu[4]研究孤立波對(duì)淹沒平板沖擊力的理論解可行性。Sugimoto[5]以潰壩的方式模擬海嘯波對(duì)T梁的沖擊。Hayatdavooodi和Ertekin[6]進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)及數(shù)值研究了孤立波對(duì)淹沒平板、T梁作用力，研究不同淹沒參數(shù)及波高對(duì)T梁海嘯作用力的影響。孟慶利[9]研究了橋面板開孔對(duì)減輕T梁海嘯作用力的影響。然而海嘯爬坡后對(duì)橋梁的沖擊力計(jì)算還不完善，因此開展相關(guān)研究十分必要。

本文通過在Mathematic計(jì)算造波板運(yùn)動(dòng)速度，Matlab編寫UDF，導(dǎo)入Fluent中實(shí)現(xiàn)以孤立波爬坡模擬海嘯對(duì)T梁沖擊。首先驗(yàn)證了數(shù)值水槽的準(zhǔn)確性，研究了不同淹沒系數(shù)，不同斜坡傾斜度對(duì)T梁海嘯力的影響。

1 工況說明

模型尺寸以Hayatdavooodi和Ertekin[7](2014)按1∶35的縮尺比所做實(shí)驗(yàn)為參考。實(shí)驗(yàn)水槽尺寸為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;對(duì)于斜坡模型水槽尺寸為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為推波板造波區(qū)，斜坡距推波板2 m，坡長(zhǎng)1 m，斜坡傾角正切tanθ=1∶10和1∶20。當(dāng)T梁未完全淹沒時(shí)；淹沒系數(shù)為z/h，其中z為液面到橋面板下緣距離；當(dāng)完全浸沒時(shí)，淹沒系數(shù)為z*/h，其中z*為液面到橋面板上緣距離。水槽布置見圖1，試驗(yàn)工況見表1。

(a)T梁截面

(b)淹沒系數(shù)示意

(c)水槽及斜坡示意圖1 水槽布置(單位:m)

2 數(shù)值模擬

本文在ICEM中導(dǎo)入幾何模型，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，液面及T梁周邊網(wǎng)格加密(圖2)，出口處進(jìn)行網(wǎng)格稀疏利用數(shù)值耗散進(jìn)行消波，以使回波不影響沖擊峰值的監(jiān)測(cè)。在Fluent中采用壓力求解器，近壁面采用可滑移壁面函數(shù)，動(dòng)態(tài)分層劃分動(dòng)網(wǎng)格的剛體運(yùn)動(dòng)，選擇不可壓縮流的N-S為控制方程，VOF方法監(jiān)測(cè)自由液面，RNGk-e湍流模型，并采用PISO算法進(jìn)行迭代計(jì)算，其中數(shù)值水槽頂部為Pressure-outlet邊界；兩側(cè)為Symmetry邊界,入口、出口及T梁為Wall邊界，時(shí)間步長(zhǎng)為0.002 s。

表1 水槽參數(shù)

圖2 水槽網(wǎng)格劃分

2.1 水槽驗(yàn)證

基于Hayatdavooodi和Ertekin[7](2014)所做實(shí)驗(yàn)研究，選擇h=0.114，a=0.0342，z*/h=0.3工況進(jìn)行數(shù)值水槽準(zhǔn)確性驗(yàn)證。監(jiān)測(cè)距推波板1 m處液面波高，T梁水平力、豎向力的時(shí)程曲線和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。由于實(shí)驗(yàn)T梁寬0.149 m，水槽寬度0.152 m，結(jié)構(gòu)物與存在空隙，數(shù)值水槽采用0.152 m作為T梁寬，忽略空隙的影響，使得三維數(shù)值模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所差異，總體上數(shù)基本吻合，波峰數(shù)值解和理論解誤差3.4 %，豎向力及水平力峰值誤差都在8 %以內(nèi)，表明網(wǎng)格劃分及湍流模型選擇可以有效模擬海嘯對(duì)T梁的沖擊(圖3)。

(a)孤立波波高值對(duì)比

(b)T梁海嘯沖擊豎向力對(duì)比

(c)T梁海嘯沖擊水平力對(duì)比

3 數(shù)值結(jié)果

3.1 淹沒系數(shù)對(duì)沖擊力的時(shí)程分析

通過監(jiān)測(cè)z*/h=0(橋面板剛好完全淹沒)及z/h=0.0835(T梁腹板半淹沒)兩種情況下沖擊力的時(shí)程曲線，研究T梁在海嘯爬坡沖擊下的受力機(jī)理。不同淹沒系數(shù)下水平力及豎向力時(shí)程曲線見圖4、圖5。

(a)tanθ=0

(b)tanθ=1∶20

(c)tanθ=1∶10

(a)tanθ=0

(b)tanθ=1∶20

(c)tanθ=1∶10

從圖4中可知當(dāng)傾角較小時(shí)，不同淹沒系數(shù)時(shí)，T梁海嘯沖擊豎向力有顯著差異，z/h=0.0835(腹板半淹沒)的海嘯沖擊的豎向力峰值較z*/h=0(恰好完全淹沒)大，并且因海嘯沖擊造成的腹板中間的空氣壓縮而在沖擊過程中沒有出現(xiàn)負(fù)壓力。

圖5中可知，T梁海嘯沖擊水平力受淹沒系數(shù)變化的影響較小，并沒有像海嘯沖擊豎向力一樣出現(xiàn)顯著變化，z/h=0.0835(腹板半淹沒)時(shí)的水平力要比z*/h=0(恰好完全淹沒)的水平力大，沖擊過程中都存在因尾部湍流而產(chǎn)生的負(fù)壓力。

3.2 斜坡傾角對(duì)沖擊力的時(shí)程分析

通過監(jiān)測(cè)T梁在斜坡tanθ=0(沒有斜坡)、tanθ=1∶20、tanθ=1∶10,三種工況下海嘯沖擊力的時(shí)程曲線，研究不同斜坡傾角對(duì)T梁海嘯沖擊所產(chǎn)生的影響。不同傾角下水平力及豎向力的時(shí)程曲線見圖6、圖7。

(a)z*/h=0

(b)z/h=0.0835圖6 不同傾角T梁海嘯豎向力時(shí)程曲線

(a)z*/h=0

(b)z/h=0.0835圖7 不同傾角T梁海嘯水平力時(shí)程曲線

圖6、圖7可知當(dāng)斜坡傾角較小時(shí)，傾角對(duì)T梁海嘯沖擊豎向力有正向性影響，峰值隨著傾角的增加而變大，但變化不顯著，且未明顯改變豎向力時(shí)程曲線走向。知當(dāng)斜坡傾角較小時(shí)，T梁海嘯沖擊水平力受斜坡傾角的影響明顯，且隨著角度的增加而明顯增大。為了便于比較，提取海嘯沖擊時(shí)水平力和豎向力的峰值(圖8)，可以明顯的看出豎向力受淹沒系數(shù)的變化波動(dòng)大，而水平力對(duì)斜坡傾角變化波動(dòng)大。

4 結(jié)論

(1)海嘯對(duì)近岸T梁的沖擊中，斜坡的存在，對(duì)水平力造成的影響不能忽視，較小的傾角也能明顯改變水平力，且傾角較小時(shí)，T梁海嘯沖擊水平力峰值隨傾角的變大而增大。

圖8 工況峰值

(2)淹沒系數(shù)對(duì)T梁海嘯沖擊豎向力作用明顯，z/h=0.0835(腹板半淹沒)較z*/h=0(恰好淹沒)時(shí)有大幅增加，不同淹沒系數(shù)對(duì)T梁海嘯沖擊豎向力影響機(jī)理仍需要進(jìn)一步的研究。