跨海桥梁桩帽基础上波浪-水流力的数值研究

《Ocean Engineering》：Numerical study of wave-current forces on pile-cap foundations for cross-sea bridges

　　

郭一豪|刘明明|张志勇|张世成|唐国强

聊城大学建筑与工程学院，中国聊城，252000

摘要

为了研究在复杂海洋条件下跨海桥子结构的水动力载荷特性，基于计算流体动力学（CFD）开发了一个三维波浪-水流-结构数值模型。该模型使用湍流闭合方案求解VARANS方程，并采用体积法（VOF）进行自由表面追踪。通过模拟分析了在不同流速（1–5 m/s）、波高（2–15 m）和水深（15.8–20.8 m）条件下，带有或不带有冲刷孔的桩帽-墩系统对波浪-水流力的响应。结果表明，流速是控制波浪-水流载荷的主要因素。在水深较大的情况下，桩体表现出明显的防护效应。在所研究的三种桥基类型中，III型结构承受的载荷最大，但动态响应最为稳定。本研究阐明了跨海桥子结构在波浪-水流共同作用下的载荷机制，为复杂水文条件下的精细化设计、安全评估和保护措施提供了理论依据。

引言

自21世纪以来，全球已建成约100座跨度超过5公里的跨海桥。（Wei等人，2020年）。作为交通网络的核心组成部分，跨海桥在极端事件（如海洋 currents、极端波浪（Qeshta等人，2019年）和海床冲刷）期间的结构稳定性和安全性能直接影响交通网络的持续运行。它们在极端灾害后的紧急支持和功能恢复中发挥着不可替代的关键作用。

与内陆桥梁不同，跨海桥梁长期暴露在波浪作用下，这是威胁桥梁安全的主要动态载荷之一。然而，在实际的海洋过程中，波浪与水流相互作用，表现出复杂的耦合和演变机制（Zhang等人，2022a）。Soulsby等人（1993年）证明，波浪-水流相互作用可以通过波浪辐射应力和边界层效应显著改变海洋水流的动力学特性。相反，Saruwatari等人（2013年）发现波浪-水流相互作用会导致波浪能量的显著变化。基于此，Hashemi和Neill（2014年）采用非线性耦合波浪-潮汐模型来模拟大陆架尺度波浪能量资源的评估，得到了一致的结果。Venugopal和Nemalidinne（2014年）开发了一个耦合波浪-潮汐模型来评估英国近岸水域的海洋能源资源。Beya等人（2021年）比较了耦合波浪-水流模型与解耦模型，以研究海洋水流对西北太平洋地区波浪能量评估的影响。结果表明，波浪-水流相互作用可以显著改变波浪特性，有效波高和周期的变化平均约为4%。最近，Tan和Venugopal（2023年）采用高保真波浪-水流数值模型进一步评估了不同水动力条件下波浪-水流相互作用对波浪特性的影响。对于波浪能量评估，Shi等人（2023年）使用MIKE 21水动力软件进行了潮汐数值分析，发现峰值区域的波浪能量分布可能会变平，并区分了波浪-水流相互作用对转换器功率吸收的影响。

许多学者研究了作用在桩帽结构上的波浪力。早期，Bushnell（1977年）在一个3×3的方形桩阵列上进行了微型模型测试，比较了多方向振荡流下多个桩与单个桩所受的力。Yu和Shi（1996年）研究了在非规则波浪下并联和串联排列的三个桩的群桩效应系数。Wang和Xu（2002年）研究了2×2组合桩布置上的波浪力特性。最近，Deng等人（2019年）对作用在方形深桩帽基础上的波浪力进行了数值研究。他们发现，当帽尺寸较小时，帽效应系数（定义为带有桩帽的桩组与没有桩帽的桩组所受波浪力的比值）超过1；随着帽尺寸的增加，该系数逐渐减小。Xu等人（2020年）进行了模型测试，研究了在不同水深和波高下深桩帽基础上的升力和水平波浪力特性，讨论了桩组对帽上水平和垂直波浪力的影响。Zhang等人（2022b）提出了一个在地震载荷下振动的高桩帽基础的数值模型，以承受周围水的惯性力，表明桩帽相互作用显著影响惯性力的幅度。Chen等人（2022年）对高桩帽基础与波浪之间的相互作用进行了数值研究，发现帽的下壁存在显著增加了背波侧桩上的波浪力。基于此，他们提出了一种凹形顶帽结构来减少帽效应对波浪力的影响。Liang等人（2022年）通过物理水槽试验研究了高桩帽基础周围的湍流分布和变化特性，进一步分析了湍流与这些基础周围海床冲刷之间的关系。近年来，许多学者对高桩帽基础的结构响应进行了详细研究。特别是，这些基础的桩-土相互作用效应越来越受到关注。

由于跨海桥墩位置的水深不同，以及海洋水流和潮汐力的影响，桥墩面临不同的水深、水流速度和波浪作用。墩可能具有带间隙的桩群基础。由于复杂的结构几何形状和波浪冲击物理的高度非线性，准确预测波浪载荷仍然具有挑战性。目前，计算流体动力学模拟或实验室规模模型测试是确定波浪载荷的主要方法。然而，这些方法存在显著局限性，需要一种更简单的替代方法（Wang和Qiu，2022年）。Douglass等人（2009年、2006年）、McPherson（2010年）、Boon-intra（2010a、2010b年）、Xu等人（2017年）和Huang等人（2018年）提出了针对周期性或孤立波浪作用在沿海桥梁上部结构（包括箱形梁和T形梁组成的甲板表面）上的波浪诱导力的经验公式。这些研究表明，静水压力诱导力和与水粒子速度相关的力构成了波浪力的主要组成部分。另一个重要发现是，开发针对墩桩群基础的波浪载荷的经验方法需要进一步考虑波浪诱导力和波浪冲击对桩帽的影响。

尽管现有研究已经探讨了波浪-结构相互作用，但大多数研究都集中在单个桩或简化配置上，对于在波浪-水流共同作用下的离岸桥梁的集成桩帽-墩系统的关注相对较少。特别是，波浪-水流相互作用和局部冲刷对结构组件（即桩、帽和墩）之间载荷重新分配的耦合效应尚未系统地阐明。

为了解决这些空白，本研究采用三维数值模型来研究在复杂海洋条件下桩帽-墩系统的水动力载荷特性。特别关注了不同基础类型和冲刷孔的存在，旨在揭示载荷传递机制，并提高对极端波浪-水流环境下结构响应的理解。预计这些发现将为跨海桥基础的安全评估和精细化设计提供有用的指导。

章节片段

盆地模型配置

为了确保跨海桥在整个生命周期内的安全和可靠性，进行多因素下的桥梁灾害特性数值实验研究至关重要。与内陆桥梁相比，跨海桥的基础长期受到多种环境因素的耦合效应的影响，包括水流、波浪以及波浪和水流的共同作用。

本研究采用计算流体动力学（CFD）理论

流速对桥梁结构载荷的影响

• (1)
  带有冲刷孔的情况

表6显示了在单一稳态流速影响下分析桩帽力响应的比较条件。该表比较了三种不同稳态流速（1 m/s、2.5 m/s和5 m/s）对桩帽结构各组成部分的力响应的影响。5 m/s的上限代表了在强潮汐湾观察到的极端潮汐流情况。

图7比较了水动力作用力

结论

建立了一个三维CFD模型，以研究在波浪-水流共同作用条件下桩帽-墩基础系统的水动力载荷特性。基于系统的参数分析，主要发现可以总结如下。

(1)

流速被确定为控制水动力载荷的主要因素。结果表明，流速的增加不仅放大了整体力的大小，还改变了载荷分布

CRediT作者贡献声明

郭一豪：概念化、方法论、软件、验证、调查、形式分析、撰写——原始草稿。刘明明：撰写——原始草稿、监督、调查。张志勇：调查、形式分析。张世成：数据管理、可视化。唐国强：数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

本研究未从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何特定资助。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（资助编号：42576220）的支持。