隨著交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展以及近海岸工程的不斷開發(fā),未來將有越來越多的跨海橋梁不斷興建和向復(fù)雜海域發(fā)展。但跨海橋梁所處海洋環(huán)境極為復(fù)雜,會(huì)遭受風(fēng)暴潮及海嘯等復(fù)雜極端災(zāi)害的巨大威脅。近年來,學(xué)者們對(duì)大型跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)的極端波浪（流）作用問題開展了相關(guān)研究。通過對(duì)近年來跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)承受極端波浪（流）作用下的理論、數(shù)值及試驗(yàn)研究與進(jìn)展進(jìn)行了綜述,指出波流共同作用的模擬更符合真實(shí)的海洋環(huán)境,且跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)與極端波浪（流）相互作用是一個(gè)流固耦合過程,今后需要在數(shù)值計(jì)算以及水槽試驗(yàn)中考慮跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),深入研究跨海橋梁在極端波浪（流）作用下的失效模式和破壞機(jī)理。 

【文章來源】：土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)(中英文). 2020,42(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖[14]

針對(duì)跨海橋梁箱型上部結(jié)構(gòu)在波流作用下的受力情況，Huang等[16]結(jié)合數(shù)值波流水槽，研究了波高、周期、水流流速、水深、箱梁淹沒系數(shù)以及上部結(jié)構(gòu)幾何尺寸對(duì)極端波流力進(jìn)行了分析，確定了影響箱梁上部結(jié)構(gòu)所受極端波流力的關(guān)鍵因素。進(jìn)一步結(jié)合回歸方法提出了估算箱梁上部結(jié)構(gòu)所受極端波流力的簡便公式。該公式選擇無量綱的波高（波陡度）形式來確定波力，將其他因素的影響表示為影響系數(shù)，最終在一定應(yīng)用范圍內(nèi)，給出了估算公式。同樣，針對(duì)孤立波作用下的箱型上部結(jié)構(gòu)受力，Huang等[17]考慮靜水和動(dòng)水波浪力，建立了跨海橋梁在孤立波作用下所受的波浪荷載的理論計(jì)算模型，基于水深、波高以及上部結(jié)構(gòu)淹沒深度對(duì)所受波浪力的影響，通過求解流體靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)公式既可以求解得到作用在跨海橋梁上的波浪力。同時(shí)，為驗(yàn)證所提出方法的優(yōu)越性，將所提出的計(jì)算方法與現(xiàn)有用于估算橋梁上部結(jié)構(gòu)所受的波浪力計(jì)算方法進(jìn)行比較。采用箱梁橋面板的詳細(xì)尺寸（如圖2所示）和特定波浪條件進(jìn)行計(jì)算。詳細(xì)誤差計(jì)算結(jié)果如表1所示，該估算方法在計(jì)算豎向和水平波浪力上具有最小的相關(guān)誤差，表明所提出的方法在估計(jì)箱梁上孤立波誘導(dǎo)的波浪力方面的準(zhǔn)確性和有效性。但同樣存在適用范圍有限的缺點(diǎn)。由表1見，經(jīng)驗(yàn)公式大多基于水槽試驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)果，并且只針對(duì)部分波浪參數(shù)、特定結(jié)構(gòu)形式或者幾種淹沒狀態(tài)，在應(yīng)用范圍以外無法保證估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，勢流理論和Green-Naghdi理論也需要假定流體為無粘無旋流體，無法完整模擬波浪與跨海橋梁上部結(jié)構(gòu)相互作用過程中的波浪破碎現(xiàn)象，在估算結(jié)構(gòu)所受沖擊力上仍待進(jìn)一步深入。

為了研究極端波浪與海流之間的相互作用以及波流共同作用下箱梁上部結(jié)構(gòu)所受波流力，Huang等[16]采用FLOW-3D商業(yè)軟件并結(jié)合源項(xiàng)造波，構(gòu)建了數(shù)值波流水槽，通過在水槽中部添加質(zhì)量源，并使用隨時(shí)間變化的體積流率和波面方程實(shí)現(xiàn)了Stokes五階波浪的生成。在入口邊界處給出均勻的流速，并根據(jù)水槽內(nèi)部生成Stokes五階波，實(shí)現(xiàn)順向及逆向波流共同作用的數(shù)值模擬。研究表明海流的存在對(duì)波流力有顯著影響，且與波浪同向的海流將會(huì)導(dǎo)致箱型上部結(jié)構(gòu)所受波流力增加�？绾４髽蛳湫谓孛嬷髁号cT形截面主梁由于幾何構(gòu)型差異較大，在極端波浪（海嘯和颶風(fēng)）作用下波浪力有較大差別。楊志瑩等[24]采用開源軟件OpenFOAM對(duì)極端波浪作用下箱型和T型上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。分別以孤立波、橢圓余弦波模擬海嘯和颶風(fēng)波浪，假設(shè)流體為不可壓縮粘性流體，通過RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方程和SST(Shear Stress Transport)k-ω湍流模型描述流體的運(yùn)動(dòng)，采用VOF(Volume of Fluid）法追蹤自由液面。首先，對(duì)數(shù)值水槽造波效果及波浪力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，具體水槽布置圖如圖4所示，為了避免形成反射波，在入流邊界及出流邊界處設(shè)置消波區(qū)，入口采用根據(jù)波浪類型、水深等給定的速度邊界條件及相分?jǐn)?shù)邊界條件，在頂端采用壓力進(jìn)出口邊界條件，水槽底面及主梁壁面均為無滑移邊界。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]跨海橋梁箱梁結(jié)構(gòu)受波浪力作用試驗(yàn)研究[J]. 張家瑋,祝兵,康啊真,黃博.  土木工程學(xué)報(bào). 2017(12)
[2]越洋海嘯的數(shù)值模擬及其對(duì)我國的影響分析[J]. 王培濤,于福江,趙聯(lián)大,劉秋興.  海洋學(xué)報(bào)(中文版). 2012(02)
[3]中國的地震海嘯及其預(yù)警服務(wù)[J]. 葉琳,王喜年,包澄瀾.  自然災(zāi)害學(xué)報(bào). 1994(01)

碩士論文
[1]波浪作用下箱梁式跨海橋梁受力試驗(yàn)研究[D]. 張翔宇.華北水利水電大學(xué) 2017



本文編號(hào)：3271359