海嘯沖擊下沿海橋梁受力分析

趙萬里

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隨著沿海橋梁的大量修建，橋梁結構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注。國外災后調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，因此對橋梁上部結構海嘯力的研究顯得尤為重要。

國內外學者開展了研究，Goring和Raichle[1]提出了一種推板水平運動實現孤立波的方法。Synolakis[2]改進了孤立波爬坡方程獲得了更高精度的解析解。Wu等[3]改進了Goring 和 Raichlen[1]的造波方法，使波幅高的孤立波在遠距離傳播上更穩定。Lo和Liu[4]研究孤立波對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T梁的沖擊。Hayatdavooodi和Ertekin[6]進行水槽實驗及數值研究了孤立波對淹沒平板、T梁作用力，研究不同淹沒參數及波高對T梁海嘯作用力的影響。孟慶利[9]研究了橋面板開孔對減輕T梁海嘯作用力的影響。然而海嘯爬坡后對橋梁的沖擊力計算還不完善，因此開展相關研究十分必要。

本文通過在Mathematic計算造波板運動速度，Matlab編寫UDF，導入Fluent中實現以孤立波爬坡模擬海嘯對T梁沖擊。首先驗證了數值水槽的準確性，研究了不同淹沒系數，不同斜坡傾斜度對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的縮尺比所做實驗為參考。實驗水槽尺寸為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，斜坡距推波板2 m，坡長1 m，斜坡傾角正切tanθ=1∶10和1∶20。當T梁未完全淹沒時；淹沒系數為z/h，其中z為液面到橋面板下緣距離；當完全浸沒時，淹沒系數為z*/h，其中z*為液面到橋面板上緣距離。水槽布置見圖1，試驗工況見表1。

(a)T梁截面

(b)淹沒系數示意

(c)水槽及斜坡示意圖1 水槽布置(單位:m)

2 數值模擬

本文在ICEM中導入幾何模型，劃分結構化網格，液面及T梁周邊網格加密(圖2)，出口處進行網格稀疏利用數值耗散進行消波，以使回波不影響沖擊峰值的監測。在Fluent中采用壓力求解器，近壁面采用可滑移壁面函數，動態分層劃分動網格的剛體運動，選擇不可壓縮流的N-S為控制方程，VOF方法監測自由液面，RNGk-e湍流模型，并采用PISO算法進行迭代計算，其中數值水槽頂部為Pressure-outlet邊界；兩側為Symmetry邊界,入口、出口及T梁為Wall邊界，時間步長為0.002 s。

表1 水槽參數

圖2 水槽網格劃分

2.1 水槽驗證

基于Hayatdavooodi和Ertekin[7](2014)所做實驗研究，選擇h=0.114，a=0.0342，z*/h=0.3工況進行數值水槽準確性驗證。監測距推波板1 m處液面波高，T梁水平力、豎向力的時程曲線和實驗值進行對比。由于實驗T梁寬0.149 m，水槽寬度0.152 m，結構物與存在空隙，數值水槽采用0.152 m作為T梁寬，忽略空隙的影響，使得三維數值模型和實驗結果有所差異，總體上數基本吻合，波峰數值解和理論解誤差3.4 %，豎向力及水平力峰值誤差都在8 %以內，表明網格劃分及湍流模型選擇可以有效模擬海嘯對T梁的沖擊(圖3)。

(a)孤立波波高值對比

(b)T梁海嘯沖擊豎向力對比

(c)T梁海嘯沖擊水平力對比

3 數值結果

3.1 淹沒系數對沖擊力的時程分析

通過監測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程曲線，研究T梁在海嘯爬坡沖擊下的受力機理。不同淹沒系數下水平力及豎向力時程曲線見圖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中可知當傾角較小時，不同淹沒系數時，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負壓力。

圖5中可知，T梁海嘯沖擊水平力受淹沒系數變化的影響較小，并沒有像海嘯沖擊豎向力一樣出現顯著變化，z/h=0.0835(腹板半淹沒)時的水平力要比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生的負壓力。

3.2 斜坡傾角對沖擊力的時程分析

通過監測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程曲線，研究不同斜坡傾角對T梁海嘯沖擊所產生的影響。不同傾角下水平力及豎向力的時程曲線見圖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梁海嘯水平力時程曲線

圖6、圖7可知當斜坡傾角較小時，傾角對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程曲線走向。知當斜坡傾角較小時，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的變化波動大，而水平力對斜坡傾角變化波動大。

4 結論

(1)海嘯對近岸T梁的沖擊中，斜坡的存在，對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，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)淹沒系數對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)時有大幅增加，不同淹沒系數對T梁海嘯沖擊豎向力影響機理仍需要進一步的研究。