線性波與海流共同作用下的群樁受力研究

田恒葵

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

跨海橋梁從修建到運營始終面臨著波浪、海流、潮汐等作用[1]，對于跨海橋梁下部結構，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。群樁結構形式作為跨海橋梁最常見的基礎形式之一，在波浪和海流(以下簡稱波流)共同作用下，其受力與單樁有很大區別[2]。而且，在波浪的基礎上加入海流，使得結構受力將變得更為復雜。圍繞著在波流聯合作用下的群樁受力問題，各國學者都進行了廣泛的研究。

Sarpakaya和Chakrabari[3]通過大量的試驗認為，光滑柱體的CM、CD是雷諾數Re和KC的函數；任佐皋[4]通過數理統計，得出了同向波流對單樁的計算力公式；李玉成等人[5-7]研究了單柱與串、并列雙柱在規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]研究了群樁效應與KC數的關系，相對樁距和波浪方向的影響；皇甫熹、蘭雅梅等人[9]通過試驗分析討論群樁中各組成樁及群樁總體折減系數隨KC數的變化、受水深及流速的影響。然而，由于缺乏有效理論方法支持，國內外橋梁規范對波流力作用下的群樁效應計算還并不完善，因此對跨海大橋下部結構所受到的波流力開展數值模擬研究十分必要。本文通過ICEM建模，Matlab編碼，將UDF函數導入到Fluent中實現群樁結構在波流作用下的數值模擬，研究了在不同流速的工況下，不同樁的阻力的時程曲線以及單樁干擾系數[10]的一些變化情況，具有工程指導意義。

1 試驗概況

模型以某實際的高樁承臺為背景，對于單樁，水槽尺寸設置為150 m×18 m×16 m；對于群樁，水槽尺寸設置為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

試驗工況海流流速v1020.23142

2 數值模擬

通過ANSYS ICEM建立幾何模型并劃分六面體網格，對于模型，為了防止邊壁效應的影響，水槽寬度均取為10D；在水槽的入口處，液面處和結構物周圍均做了加密，單樁模型單元劃分為30×104；群樁模型單元劃分為87×104，二者網格質量均在0.8以上。設置邊界條件以及初始條件：入口處用UDF函數處理，采用速度入口造波(流)實現波流聯合作用；出口采用明渠出流設置并設置消波段，這樣可以將波流中波浪成分消去而保留海流成分，滿足試驗要求；兩側設置為Symmetry邊界；底部為Wall邊界；頂部為Pressure-outlet邊界。

3 結果分析

3.1 阻力的時程分析

通過對群樁所受阻力進行時程分析，研究群樁的受力特性，進而探究其受力機理。分別繪制不同工況下，1#～3#樁的阻力時程曲線(截取40～60 s的穩定段；根據對稱性，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#樁與單樁的阻力時程曲線對比

(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#樁與單樁的阻力時程曲線對比

由圖2～圖4可知，對于純波工況(海流流速v=0m/s)，群樁結構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，當流速較小時(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。當流速v=1m/s時，可以看到，海流對結構作用力的影響已經占據較大的比例，群樁所受阻力的時程曲線整體向上抬升。當流速很大時(v=2m/s)，此時群樁結構所受到的阻力，海流影響已經占據主動，波浪影響已經處于次要地位。

3.2 群樁效應系數分析

群樁結構在計算波流力時與單樁結構存在一定差異。波浪的峰值不可能同時通過所有的樁柱，各樁柱所受波浪力存在著相位差；同時，在波浪的基礎上加入海流，波浪波要素發生變化，群樁受力將更為復雜。目前計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，通過試驗研究或者數值模擬的方法得到群樁結構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系數，并分析群樁效應與各種相關參數的內在關系，包括相對樁徑、波浪要素和相對流速等。在應用時，直接將一定條件下的單樁乘以相應的群樁效應系數即可得到群樁結構某根樁的波流力。

(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Ki這個概念，Ki表示對于群樁結構，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#樁與單樁的阻力時程曲線對比

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

4 結論

(1)群樁結構中，在波流聯合作用下，當流速較小時，1#～3#樁由于各組成樁之間的相互作用和流場中旋渦的相互作用，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

(2)對于任意排列方式的群樁結構，某根樁的單樁干擾系數是否總是隨著流速的增大呈現先減小后增大的變化趨勢仍需要進一步的研究。