中国海洋大学学报自然科学版  2026, Vol. 56 Issue (4): 124-137  DOI: 10.16441/j.cnki.hdxb.20240380

引用本文  

王佳佳, 蔡宗润, 陈效坤, 等. 跨海T形梁极端波浪荷载分布特征及其参数敏感性研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2026, 56(4): 124-137.
Wang Jiajia, Cai Zongrun, Chen Xiaokun, et al. Study on Extreme Wave Load Distribution Characteristics and Parameter Sensitivity of Cross-Sea T-Beam[J]. Periodical of Ocean University of China, 2026, 56(4): 124-137.

基金项目

陕西省自然科学基础研究计划项目(2024JC-YBMS-391)资助
Supported by Shaanxi Province Natural Science Basic Research Program(2024JC-YBMS-391)

通讯作者

肖莉丽,女,博士,副教授。E-mail: llxiao@chd.edu.cn

作者简介

王佳佳(1988—),男,博士,副教授。E-mail: jwang@chd.edu.cn

文章历史

收稿日期:2024-12-09
修订日期:2025-01-13
跨海T形梁极端波浪荷载分布特征及其参数敏感性研究
王佳佳 , 蔡宗润 , 陈效坤 , 肖莉丽 , 许昕 , 余夕 , 夏梦琪 , 高瑞泽     
长安大学公路学院, 陕西 西安 710064
摘要:为厘清极端波浪作用下近海区域桥梁主梁的受荷特征,本文利用室内造波水槽开展了缩尺比为1∶20的物理模型试验,研究不同试验水深、造波速度和淹没系数等因素组合工况条件下T形梁水平波浪力、竖向波浪力和倾覆力矩的时程曲线及峰值特性。随后,基于试验数据,针对上述3种因素对T形梁波浪荷载特性进行参数敏感性分析。研究得出以下结论:T形梁波浪力受水深影响显著,随着淹没深度的增加,峰值时刻的竖向波浪力先减小后增大,且力方向由向上变为向下;峰值时刻的水平波浪力变化趋势与竖向波浪力保持一致,但方向不变;倾覆力矩的变化趋势为先增加后减小,且在半淹没状态下的峰值最大;针对未淹没状态下的T形梁,其顶板下面板受竖向波浪力较大,而顶板上面板受到反向竖向波浪力较大,波浪先达到的两根梁主要承受较大的水平波浪力与反向水平力;对于全淹没状态下的T形梁,模型两侧梁承受较大的正向水平力,而迎浪侧第二根梁承受了大部分反向水平波浪力;考虑3种影响因素的参数敏感性分析结果表明,T形梁波浪荷载受波速与淹没系数影响显著,受波高影响,波浪荷载变化较为复杂,未呈现出明显的规律性。本文研究了跨海T形梁极端波浪荷载分布与作用特性,探讨了T形梁所受波浪力及倾覆力矩的主要影响因素,研究成果可为跨海桥梁的结构安全设计提供有益的参考依据。
关键词跨海T形梁    极端波浪    受力特性    物理模型试验    波浪荷载分布    参数敏感性    

跨海大桥在建造和运营过程中易受海啸、风暴潮的影响,这类极端波浪严重威胁着桥梁结构的安全,给近岸区域交通运输带来巨大安全隐患。在世界范围内,跨海桥梁受极端波浪作用损毁的案例时有发生,例如:2004年美国Ⅰ-10公路大桥受到三级飓风Ivan的影响,在桥址处产生约3.26 m的浪高,导致桥梁结构损毁,造成57人死亡,直接经济损失高达140亿美元[1]。2005年Katrina飓风在美国引发近海岸浪高约9 m的风暴潮,造成至少44座桥梁结构被破坏[2]。2013年台风“海燕”形成的波浪摧毁桥梁结构,造成中国30人死亡、6人失踪[3]。T形梁作为桥梁的重要组成部分,承担着桥梁的承重功能。然而,由于跨海T形梁所处环境特殊,长期遭受波浪力的冲击,容易出现损毁现象,严重威胁着桥梁的安全运营。因此,研究极端波浪作用下跨海T形梁的受荷特征对近海桥梁安全运营具有重要意义。

长期以来,国内、外学者利用室内物理缩尺试验与数值模拟的手段,研究了极端波浪作用下桥梁主梁的波浪荷载分布特征。物理模型试验是许多学者开展波浪力相关研究常用方法。Denson[4-7]针对在Camille飓风中受损的Ⅰ-90桥梁,制作了缩尺比为1∶24的板梁和T形梁模型并开展了相关水动力试验,进而研究了不同波幅、波浪传播方向及桥梁净空等因素影响下桥梁模型所受波浪力的变化情况。Kosa等[8]利用缩尺比为1∶50的桥梁模型研究了破碎与非破碎波浪对桥梁上部结构的作用力,并讨论了2种波浪作用下水平力和竖向力大小的相互关系。Cuomo等[9-10]制作了缩尺比为1∶10的甲板模型,研究了该模型在不同要素的波浪力作用下所受到的波浪力及波浪压强变化规律,并提出了计算近海桥梁在不同工况下波浪压强的经验方法。Fang等[11]基于周期性聚焦波研究了波浪和桥梁之间的相互作用,研究结果表明,桥面被淹没时桥梁模型所受水平波浪力和竖向波浪力达到峰值。随着高性能计算机的发展,计算流体力学方法越来越多地应用于跨海桥梁极端波浪荷载研究中。Xu等[12]利用Fluent软件研究了孤立波斜向入射时对桥梁的作用力和倾覆力矩。

此外,众多学者研究了不同因素对主梁所受波浪载荷的参数敏感性。邓年春等[13]利用数值手段研究了T形梁和箱梁的不同倾斜角度对水平波浪力、竖向波浪力与倾覆力矩的影响。Seiffer等[14]在美国夏威夷大学波浪水槽开展了孤立波对悬挂平台结构和梁板结构的抨击作用试验,测试了梁板结构在不同净空下所受的水平波浪力和竖向波浪力,总结了各载荷随淹没深度、波幅和净空等因素的变化规律。Winter等[15]使用三维计算流体动力学方法,详细评估了单个桥梁构件对桥梁总力的影响,并将其应用于具有不同超高梁形和梁间距的桥梁,阐述了该方法在理解海啸波对复杂几何结构影响的优势。Iemura等[16]利用缩尺试验模型研究了桥梁上部结构所受的波浪力,结果表明桥梁所受波浪力与波高成正比。张家玮[17]基于数值模型对有无超高的箱梁所受波浪力进行了参数分析。

目前国内、外学者对桥梁上部结构波浪荷载开展了大量相关试验研究,评估了不同波浪要素影响下桥梁结构的水平波浪力、竖向波浪力及倾覆力矩。研究主要集中在波浪作用下桥梁的整体受力情况,而对极端波浪作用下局部桥梁构件的受荷特征描述不够充分。此外,目前已有的有关参数敏感性分析的研究侧重于数值手段模拟主梁受荷特征。由于数值模型的选择不同,桥梁主梁受荷特征也表现出较大差异,目前尚无法准确识别影响桥梁波浪力的关键因素。针对以上问题,本文通过开展缩尺比为1∶20物理模型缩尺试验,同时考虑试验水深、造波速度、淹没系数三种因素的影响,选取典型工况深入分析不同淹没状态下T形梁所受波浪力时程特征及结构周围流场的变化特征,确定结构所受波浪力的主要影响因素。研究成果对近海桥梁结构安全设计及评价具有重要的参考价值。

1 物理模型试验 1.1 试验装置与缩尺模型

本试验装置主要由水槽、造波设备和监测设备等构成(见图 1)。其中试验水槽长7.5 m、宽1.5 m、高0.75 m。造波器采用一种双线轨重型滑台作为动力源,使用双钢管导杆连接推波板完成造波。滑台推力范围100~150 kg,最大移动速度450 mm/s,有效行程1 000 mm。此外,造波器自带控制器可定制时程轨迹,且支持扩展可编程序控制器(Programmable controllers,PLC)的编程滑台功能。监测设备包括探针波高仪、微型压力传感器和GoPro相机。

( (a)3D模型图;(b)造波水槽实景图;(c)微型压力传感器数据采集界面;(d)可编程序控制器。(a) 3D model drawings; (b) Real picture of the wave making tank; (c) Micro-pressure sensor data acquisition interface; (d) Programmable controllers(PLC). ) 图 1 室内造波水槽 Fig. 1 Indoor wave tank

为准确模拟桥梁的受荷特征,本文以某跨海桥T形梁为原型,设计了缩尺比为1∶20的T形梁模型,模型长1 490 mm、宽625 mm,顶板与肋梁的厚度均为10 mm。同时,为便于研究和描述各面板的受力情况,将T形梁表面被划分为20个面板,分别被编号为S1—S20。此外,T形梁模型各梁分别被编号为L1—L6,各肋板间的腔室则分别被编号为B1—B5,如图 2所示。

图 2 T形梁结构模型各面板表面划分 Fig. 2 Surface division of each panel in T-beam structural model
1.2 数据记录与采集

在试验过程中,波浪水槽内配有探针式波高仪,这些波高仪分布在水槽的波动区、试验区及反射区,同时模型表面安装有微型压力传感器(见图 3)。利用以上设备监测水槽内波浪的运动特征,以获取T形梁受波浪作用的表观特征和荷载分布规律。具体地,为测量桥梁各构件所受波浪力,分别在桥梁模型的顶板和肋梁上布设25个微型压力传感器(见图 2),微型压力传感器的量程为0~10 kPa,采样频率1 kHz,精度为0.1%。同时,试验过程中利用8个波高仪(分别被编号为WG1—WG8)监测入射波高,波高仪分别安装在模型前侧与后侧(见图 3(b)),探针式波高仪的量程为0~1.0 m,采样频率100 Hz,精度为0.1%。试验过程中,利用计算机同时采集波高和压力数据,采集数据经校验后自动存储为Excel文件。此外,水槽内还布置了2台便携式高清摄像机(品牌:GoPro),用于获取试验过程的高清视频,每个工况采样时长为20 s。

( (a)侧视图;(b)俯视图。(a) Side view; (b) Top view. ) 图 3 试验监测设备布置 Fig. 3 Test monitoring equipment layout
1.3 试验工况

本文通过控制不同的试验水深、造波速度和模型高度,研究不同波浪参数对T形梁的影响规律。依据Froude相似准则,同时考虑推波板的运动类型和运动距离,本次试验研究了不同试验水深h(30、40和50 cm)、造波速度v(20、30和40 cm/s)、淹没系数β(0.0、0.4、0.8、1.2和1.6)工况下对应的T形梁所受波浪力。其中,淹没系数是指淹没深度Zc与梁高hb的比值,淹没深度是指模型结构底部与静水位之间的距离(见图 2)。根据淹没系数的不同,可以分为3种淹没状态,即未淹没状态(β=0.0)、半淹没状态(β=0.4和β=0.8)、全淹没状态(β=1.2和β=1.6)。试验工况按试验水深-造波速度-淹没系数的顺序简化命名,例如工况50-40-0表示水深50 cm、造波速度40 cm/s及淹没系数0所对应的工况。试验设计工况为3种影响因素的自由组合,共计45种工况。

此外,为提高试验数据的准确性,采用模型前侧较近的波高仪(Wave gauge)WG3处所测的波浪参数作为试验最大波幅参数,波幅hw随试验水深和造波速度的变化如图 4所示。同时,选取部分工况进行2次重复性测试,并对比这2次测试的WG3处实测波高峰值及时程,以验证造波的稳定性,两次波峰误差不超过2%(见图 5),实验室造波水槽能满足精度要求。最终实现通过测量结构模型表面波压力以获取不同工况下T形梁结构表面波浪力的变化情况。

图 4 WG3测量试验波幅 Fig. 4 WG3 measures test amplitude
图 5 试验波幅时程曲线对比 Fig. 5 Comparison of wave amplitude time course curve during test
2 试验数据处理 2.1 波浪载荷定义

为探究跨海T形梁各部分的受荷规律,通过压力传感器测量T形梁L1—L6受荷状况,以压力传感器测得的局部压力表征测点周围受力,每片T形梁所受的合力为测点压力与临近作用面积的乘积。本文中波浪作用下T形梁所受的总水平作用力、竖向作用力及倾覆力矩大小分别采用FhFvMove表示。各片梁上所受的水平波浪力和竖向波浪力分别定义为fh, 1fh, 6fv, 1fv, 6。同时,将顺水流方向定义为水平波浪力的正方向,将竖直水流向上的方向定义为竖向波浪力的正方向,将顺时针方向定义为倾覆力矩大小的正方向,其中倾覆力矩大小的计算原点位于L6肋梁底部。在本试验中,倾覆力矩的大小计算同时考虑了水平波浪力和竖向波浪力的影响,倾覆力矩大小采用矢量合进行计算,计算公式如下:

$ \begin{gathered} M_{\mathrm{ove}}=\sum\limits_{i=1}^6 p_{\mathrm{v}, i} a_{\mathrm{v}, i} A_i-p_{\mathrm{v}, 7} a_{\mathrm{v}, 7} A_7+ \\ \sum\limits_{m=1}^6 \sum\limits_{n=1}^3 p_{\mathrm{h}, m, n} a_{\mathrm{h}, m, n} A_{m, n}。\end{gathered} $ (1)

式中:Move为倾覆力矩(N·m);pv, i为第i个传感器记录的竖向压力(kPa),i∈{1, 2, 3, 4, 5, 6,7};av, i为第i个压力传感器的作用竖向力臂(m);m表示沿波浪传播方向的测点顺序,m∈{1, 2, 3, 4, 5, 6};n表示垂直于波浪传播方向的测点顺序,n∈{1, 2, 3, 4, 5, 6};ph, m, n为(mn)测点处传感器记录的水平向压力(kPa);ah, m, n为(mn)测点处压力传感器的作用水平向力臂(m);Ai表示第i个竖向压力传感器范围内的作用面积; A7表示第7个竖向压力传感器范围内的作用面积;Am, n表示为(mn)测点处水平向压力传感器范围内的作用面积;T形梁受到的倾覆力矩大小可以通过各传感器位置处的作用力乘以相应的力臂得到(见图 6)。

( pv, 1pv, 7分别为第1—7个传感器记录的竖向压力;av, iav, 7分别为第1—7个压力传感器的作用竖向力臂;ph, m, n为(mn)测点处的传感器记录的水平向压力,m∈{1, 2, 3, 4, 5, 6},n∈{1, 2, 3, 4, 5, 6};6个T形梁分别被编号为L1—L6。pv, 1pv, 7 represent the vertical pressures recorded by the 1st to 7th sensors, respectively; av, iav, 7 represent the vertical force arms of the 1st to 7th pressure sensors, respectively; ph, m, ndenotes the horizontal pressure recorded at the (m, n) measurement point, where m and n are in {1, 2, 3, 4, 5, 6}; the six T-shaped beams are numbered L1 to L6. ) 图 6 倾覆力矩的计算力臂 Fig. 6 Calculating lever of overturning moment
2.2 时程数据滤波处理

由总波浪力时程曲线(见图 7)可知,T形梁波浪荷载是由随波浪缓慢变化的准静力和明显高于波频率的抨击力组成,本文利用Matlab软件中的Savitzky-Golay滤波器对原始数据进行滤波处理,以分离这两种成分,通过设置滤波器窗口长度和多项式阶数的数值改变曲线的平滑程度。当处理后数据既能保留压力信号细节,又能有效去除高频噪声时,说明滤波效果良好。相关试验研究认为,低频的准静力是由波浪持续作用引起的,持续时间较长,高频抨击力则是由波面动量传递引起的,持续时间较短[17]。在实际分析中,准静力规律是可寻的,抨击力未表现出明显的规律。因此,本研究将以准静力分析为主。此外,由于试验过程中前4 s为规则波运动至模型的时间,此时间范围内,T形梁的压力数据为0,为更好地展示波浪作用下各个压力测点细部图,在后续绘图过程中未展示4 s之前的压力数据。

( (a)水平波浪力及其成分曲线;(b)竖向波浪力及其成分曲线。(a) Horizontal wave force and its component curve; (b) Vertical wave force and its component curve. ) 图 7 工况50-40-0工况波浪力时程曲线 Fig. 7 Condition 50-40-0 wave force time history curve
3 波浪荷载分布特征 3.1 竖向波浪力时程特征

针对工况50-40-0、50-40-0.8和50-40-1.2三种典型工况下的L1—L6梁所受的竖向波浪力进行分析(见图 8),以探究L1—L6梁在不同淹没状态下所受竖向波浪力相对于总竖向波浪力的权重占比。如图 8所示,在不同的淹没状态下,L1—L6梁对总竖向波浪力的占比不同。在未淹没状态下,L2—L4梁所受竖向力分别为0.010 3、0.010 2和0.010 1 kN,在总竖向波浪力中占比较大;在半淹没状态下,L1梁所受竖向力为0.053 kN,在各梁中受竖向力最大,且L1—L6梁在半淹没状态下所受最大波浪力约为未淹没状态下5倍;在全淹没状态下,L1梁所受的竖向波浪力最大约为0.038 kN,所有局部构件受力相对于半淹没状态有所减小。此外,不同淹没状态下各片梁受力到达峰值时刻也不尽相同,由于梁肋间被俘获的空气被水体挤压而产生力的相互作用,导致其在半淹没状态下更早地达到竖向准静力的峰值时刻。

( (a)工况50-40-0局部梁竖向波浪力时程曲线;(b)工况50-40-0.8局部梁竖向波浪力时程曲线((b)图为(a)图虚线框出的部分);(c)工况50-40-1.2局部梁竖向波浪力时程曲线。(a) Condition 50-40-0 local beam vertical wave force time history curve; (b) Condition 50-40-0.8 local beam vertical wave force time history curve(Figure (b) is the part framed by the dotted line in figure (a)); (c) Condition 50-40-1.2 Local beam vertical wave force time history curve. ) 图 8 3种典型工况L1—L6梁的竖向波浪准静力时程曲线 Fig. 8 Vertical wave quasⅠ-static time-history curve of L1—L6 beam under three typical working conditions

通过分析不同淹没状态下总竖向波浪力时程曲线及其峰值时刻流场状态(见图 9),以探究T形梁在3种典型淹没状态下所受竖向力的变化规律。在未淹没状态(见图 9(a)(b))下,梁肋间B1—B5中的空气被下方水体冲击压缩而产生超压效应,进而受到水体冲击,而被压缩的空气对面板S14—S18产生较大的冲击压力,从而导致桥面板上受到的竖向力达到峰值,最大竖向准静力为0.050 8 kN。在半淹没状态(见图 9(c)(d))下,原本被密闭在腔室B1—B5中的空气受到下方水体的冲击,此时竖向波浪力急剧增加,主梁的竖向波浪力达到峰值(0.276 kN),且峰值较半淹没状态增加约6倍。随后部分水体翻越桥面板,桥面板上方的水体对S20面板产生向下的静压力,导致竖向波浪力逐渐减小。在全淹没状态(见图 9(e)(f))下,波浪的波峰已经到达主梁结构前缘位置,随后越过桥面板,其上方的水体对S20面板产生向下的静压力,波浪对各面板产生较大的反向竖向准静力,竖向波浪力合力较半淹没状态有所减小。

图 9 3种典型工况竖向波浪力时程曲线及峰值流场状态 Fig. 9 Vertical wave force time history curve and peak flow field state under three typical working conditions
3.2 水平波浪力时程特征

针对工况50-40-0、50-40-0.8和50-40-1.2这三种典型工况下的L1—L6梁所受的水平波浪力进行分析,以研究L1—L6梁在不同淹没程度下所受水平波浪力在总水平波浪力中所占比例(见图 10)。如图 10所示,在不同的淹没状态下,当T形梁受波浪力至峰值时刻,L1梁先受波浪冲击,导致其受到较大的水平力。在半淹没状态(工况50-40-0.8)下,L1梁所受水平力为0.057 kN;在未淹没(工况50-40-0)和全淹没状态(工况50-40-1.2)下,L1梁受力相比半淹没状态有所减小。各片梁所达到的峰值时刻并不相同,L2梁水平力最先达到峰值时刻,L1梁较晚于L2梁到达峰值时刻。此外,L2梁的水平力随着时间推移,反向水平作用力不断增大,其最小值接近-0.04 kN,在总反向水平力中占比较大,从而导致整体结构水平波浪力降低。

( (a)工况50-40-0局部梁水平波浪力时程曲线;(b)工况50-40-0.8局部梁水平波浪力时程曲线;(c)工况50-40-1.2局部梁水平波浪力时程曲线。(a) Condition 50-40-0 local beam horizontal wave force time history curve; (b) Condition 50-40-0.8 local beam horizontal wave force time history curve; (c) Condition 50-40-1.2 Local beam horizontal wave force time history curve. ) 图 10 L1—L6梁的水平准静力时程 Fig. 10 Horizontal quasⅠ-static time-history curve of L1—L6 beam

针对不同淹没状态下总水平波浪力时程曲线及波浪力峰值时刻流场状态开展分析(见图 11),以探究T形梁在3种典型淹没状态下所受水平力变化规律。

图 11 3种典型工况水平波浪力时程曲线及峰值流场状态 Fig. 11 Time history curve of horizontal wave force and state of peak flow field under three typical working conditions

在未淹没状态(见图 11(a)11(b))和半淹没状态(见图 11(c)11(d))下,各面板均受到水体与侵入气体的相互作用产生的波浪力,未淹没状态下所受首浪波浪力为半淹没状态下的2倍,峰值时刻波浪力为0.114 kN。随着波峰迅速向下游传播,水体翻越桥面板导致梁肋完全被淹没,且部分气体被水体密封,气体被水体挤压并产生超压效应,致使水平力变化更加剧烈,抨击力成分显著。在全淹没状态(见图 11(e)11(f))下,空腔内的空气被全部排出,水体-气体侵入效应减小,超压效应减弱,表现在水平波浪力时程曲线上为曲线平滑度更高,抨击力成分减弱。

3.3 倾覆力矩特征

对T形梁的倾覆力矩采用其最大值,并进行无量纲处理,其中无量纲化系数(Dimensionless coefficient)用Kdc表示,图 12对比展示了3种典型工况下峰值区间4.0~7.0 s的倾覆力矩、水平力和竖向力的时程数据。在未淹没状态(工况50-40-0)下,倾覆力矩时程曲线中出现的冲击峰值和下降阶段中的谷值基本均与竖向波浪力各阶段相同,但在水平波浪力的峰值时刻则稍晚于竖向波浪力和倾覆力矩(滞后0.05 s)。在半淹没状态(工况50-40-0.8)下,倾覆力矩时程曲线的特征与竖向波浪力基本相同,而水平波浪力变化相对更加剧烈,出现多个峰值时刻。这可能由于梁肋间的气体-水体-结构相互作用,相互侵入更加剧烈,导致水平波浪力变化规律难以捕捉,水平波浪力的最大峰值时刻相对于竖向波浪力和倾覆力矩均滞后0.25 s。在全淹没状态(工况50-40-1.2)下,主梁所受竖向波浪力及倾覆力矩峰值时刻早于水平波浪力(提前0.36 s),说明T形梁发生倾覆侧翻的可能性早于发生横向位移的可能性。

( (a) 工况50-40-0载荷对比;(b)工况50-40-0.8载荷对比;(c) 工况50-40-1.2载荷对比。(a) Condition 50-40-0 load comparison; (b) Condition 50-40-0.8 load comparison; (c) Condition 50-40-1.2 load comparison. ) 图 12 波浪作用力无量纲化系数时程曲线对比 Fig. 12 Comparison of wave force time history curve of dimensionless coefficient
4 参数敏感性分析 4.1 竖向波浪力影响因素

桥梁结构受外界影响会产生振动,其中竖向波浪力起着关键作用。尤其在极端波浪条件下,竖向波浪力对桥梁结构的影响更为突出,可能导致桥梁结构出现变形甚至开裂现象。因此,识别竖向波浪力的关键影响因素对桥梁安全运维尤为重要。

桥址处水深的变化会直接影响波浪的传播特性(波速、波长和波峰大小等),从而影响波浪对T形梁的作用力。顶板处作为竖向波浪力的重要作用位置,随着水深的增加,波浪与T形梁顶板的接触面积和接触方式发生变化,从而影响竖向波浪力的分布和大小。各试验水深、不同波幅和淹没系数工况下T形梁竖向波浪力的变化情况如图 13所示。

( (a)30 cm试验水深、不同波幅下的竖向波浪力;(b)40 cm试验水深、不同波幅下的竖向波浪力;(c)50 cm试验水深、不同波幅下的竖向波浪力。(a) Vertical wave force at different amplitudes in 30 cm test water depth; (b) Vertical wave force at different wave amplitudes in 40 cm test water depth; (c) Vertical wave force at different wave amplitudes in 50 cm water depth. ) 图 13 不同的来流波幅下的竖向波浪力 Fig. 13 Vertical wave force under different incoming wave amplitude

图 13中可以看出,竖向波浪力受波幅的影响显著,在不同水深和不同淹没系数条件下,竖向波浪力随波幅的增加基本呈线性增大,且在淹没系数为0.8的状态下,桥梁所受竖向力显著高于其他淹没状态。而在不同试验水深(其他条件相同)下,竖向波浪力也随水深增加而增加,但增加效果不显著。

试验结果还表明,竖向波浪力受超压效应和上覆水体积影响较大。当T形梁处于半淹没状态时,随着波速增加,腔室内超压效应增强,竖向波浪力增加。当淹没系数较大时,随着波速增加,波浪会翻越至顶板,导致上覆水体积增加,从而产生较大的竖向静压力,此时竖向力有所降低。在各试验水深、淹没系数和速度工况下,T形梁竖向波浪力的变化如图 14所示。由图 14可知,竖向波浪力受速度影响显著。在相同试验水深条件下,竖向波浪力随着波速的增加而增大,在淹没系数为0.8且水深为50 cm时,T梁模型所受竖向波浪力达最大值(0.279 kN)。当水深不同时,随着速度的增加,竖向波浪力随水深增加呈先增加后减小的趋势,且在淹没系数为0.8时,竖向波浪力达到最大值。

( (a)30 cm试验水深、不同淹没系数下的竖向波浪力;(b)40 cm试验水深、不同淹没系数下的竖向波浪力;(c)50 cm试验水深、不同淹没系数下的竖向波浪力。(a) Vertical wave force with different submerged coefficients in 30 cm test water depth; (b) Vertical wave force with different submerged coefficients in 40 cm test water depth; (c) Vertical wave force with different submerged coefficients in 50 cm test water depth. ) 图 14 不同淹没系数下的竖向波浪力 Fig. 14 Vertical wave force under different inundation coefficients

在不同波幅下,竖向波浪力在不同淹没系数下呈现不同的变化趋势(见图 13)。在相同波幅下,T形梁在未淹没状态(淹没系数为1.2和1.6)下所受竖向波浪力最小,而在半淹没状态(淹没系数为0.8和0.4)下所受波浪力最大。当考虑不同速度状态时,竖向波浪力在不同淹没状态(淹没系数为0)下呈现出不同的变化趋势(见图 14)。当T形梁未被淹没时,在相同试验水深条件下竖向波浪力随着淹没系数的增加而增大;当T形梁被完全淹没后,在相同速度下竖向波浪力随着淹没系数的增加而减小;当T形梁被半淹时所受的竖向波浪力最大,此时波浪与结构发生动量传递且局部产生超压效应。此外,随着主梁被淹没,砰击力成分降低,导致竖向波浪力在半淹没状态大于全淹没状态。

4.2 水平波浪力影响因素

在桥梁上部结构受波浪作用发生横向位移甚至掉落的过程中,水平波浪力起着关键性作用。当桥梁主梁在竖向连接发生损坏或失效时,主要依靠主梁和盖梁桥台之间的摩擦力来抵抗其受到的水平波浪力。当竖向波浪力能够抵消主梁自身重力时,在水平力的作用下,结构容易发生滑移侧翻。因此,研究T形梁所受水平波浪力的影响因素及其变化规律对桥梁运营安全具有重要意义。

T形梁所受水平波浪力同桥址处波高、波速、波浪周期及淹没状态密切相关。而这些因素又同时受水深的显著影响,这导致在不同水深条件下,T形梁所受水平波浪力的变化规律较为复杂。各试验水深、不同波幅和淹没系数下,T形梁水平波浪力的变化趋势如图 15所示。在不同的淹没系数下,水平波浪力随着波幅的增加而增加,水平波浪力与波幅呈线性关系。在水深40 cm且淹没系数为0.4时,T形梁模型所受水平波浪力达最大值(0.229 kN)。当波幅相同但水深不同时,水平波浪力变化的规律并不明显。

( (a)30 cm试验水深、不同波幅和淹没系数下的水平波浪力;(b)40 cm试验水深、不同波幅和淹没系数下的水平波浪力;(c)50 cm试验水深、不同波幅和淹没系数下的水平波浪力。(a) Horizontal wave force at different amplitudes and submerged coefficients in 30 cm test water depth; (b) Horizontal wave forceat different wave amplitudes and submerged coefficients in 40 cm test water depth; (c) Horizontal wave force at different wave amplitudes and submerged coefficients in 50 cm test water depth. ) 图 15 不同的来流波幅下的水平波浪力 Fig. 15 Horizontal wave forces under different incoming wave amplitudes

波浪的波速越大,其蕴含的能量越高,对T形梁产生水平波浪力也就越大。在各试验水深、淹没系数和速度下,T形梁水平波浪力的变化趋势如图 16所示,水平波浪力受波速影响显著,在同一试验水深下,水平波浪力随着波速的增加而显著增加。在淹没系数为0.4时,随着速度的增加,水平波浪力增幅较大。

( (a)30 cm试验水深、不同淹没系数下的水平波浪力;(b)40 cm试验水深、不同淹没系数下的水平波浪力;(c)50 cm试验水深、不同淹没系数下的水平波浪力。(a) Horizontal wave force under different submerged coefficients in 30 cm test water depth; (b) Horizontal wave force under different submerged coefficients in 40 cm test water depth; (c) Horizontal wave force under different submerged coefficients in 50 cm test water depth. ) 图 16 不同淹没系数条件下的水平波浪力 Fig. 16 Horizontal wave force under different submerged coefficients

随着淹没系数的增加,波浪对梁体产生水平冲击力发生变化。当淹没系数低于0.4时,随着淹没系数增加,波浪与梁体接触的面积增大,导致水平波浪力不断增加。同时超压效应也是影响水平波浪力的主要因素,当淹没系数超过0.4时,超压效应逐渐减弱,水平力有所下降。随着T形梁淹没深度的增加,即从未淹没到全淹没状态,T形梁受到的水平波浪力存在明显差异。同样的试验水深下,淹没系数为0.4时,波浪产生的水平作用力更大,而当淹没系数超过0.4时,水平波浪力在一定幅度上开始减小。

4.3 倾覆力矩影响因素

研究表明,主梁所受的倾覆力矩使得桥梁支座或其他竖向连接受到不均匀的作用力,进而导致主梁部分竖向连接被破坏,最终引发倾覆式破坏。

随着水深的增加,波浪对T形梁底部的冲击形式及其压力分布会发生变化,从而改变结构所受倾覆力矩,直接影响主梁的稳定性。特别是在深水区域,波流对桥梁底部的冲击力可能增大,导致倾覆力矩在一定幅度上增加。各试验水深、不同波幅和淹没系数工况下T形梁倾覆力矩的变化情况如图 17所示。从图 17中可以看出,随着试验水深的增加,倾覆力矩变化没有明显规律,这表明倾覆力矩受试验水深影响不显著。

( (a)30 cm试验水深、不同淹没系数下的倾覆力矩;(b)40 cm试验水深、不同淹没系数下的倾覆力矩;(c)50 cm试验水深、不同淹没系数下的倾覆力矩。(a) Overturning moment under different submerged coefficients in 30 cm test water depth; (b) Overturning moment under different submerged coefficients in 40 cm test water depth; (c) Overturning moment under different submerged coefficients in 50 cm test water depth. ) 图 17 不同来流波幅下的倾覆力矩 Fig. 17 Overturning moment under different incoming wave amplitude

当波速较高时,主梁结构受到较大的冲击力,腔室内超压效应也明显增强,模型受到较大的水平力和竖向力。由于倾覆力矩受水平力和竖向力共同控制,高波速状态下的模型会受到较大的倾覆力矩。各试验水深、不同淹没系数和速度工况下T形梁倾覆力矩的变化情况如图 18所示。在各试验水深影响下,倾覆力矩总体均随着波速的增加而增大,且在半淹没状态下达到最大值(17.28 N·m),此时倾覆力矩的增幅相对其他淹没状态更为显著。当水位淹没梁顶时,倾覆力矩值有所减小。

( (a)30 cm试验水深、不同淹没系数下倾覆力矩;(b)40 cm试验水深、不同淹没系数下倾覆力矩;(c)50 cm试验水深、不同淹没系数下倾覆力矩。(a) Overturning moment under different submerged coefficients in 30 cm test water depth; (b) Overturning moment under different submerged coefficients in 40 cm test water depth; (c) Overturning moment under different submerged coefficients in 50 cm test water depth. ) 图 18 不同的淹没系数下的倾覆力矩 Fig. 18 Overturning moment under different submerged coefficients

针对不同淹没状态下的T形梁,水平波浪力和竖向波浪力作用位置发生变化,导致其变化趋势存在明显的规律。随着淹没系数的增加(从未淹没状态到半淹没状态),倾覆力矩显著增加,若继续增加淹没系数(至全淹没状态),倾覆力矩则开始持续小。桥梁侧面板受波浪冲击而承受较大的水平力,同时梁肋间密闭气体受到水体的挤压,这导致倾覆力矩在半淹没状态下达到峰值。此外,在半淹没状态下,水平力的力臂相比于全淹没状态更大,这也是导致在半淹没状态下倾覆力矩值较大的原因。在全淹没状态下,桥梁上覆面板受到水体向下的作用力,水平方向的抨击力相比半淹没状态下有所降低,此时倾覆力矩相对于半淹没状态下也有所下降。

5 结论

本文以某跨海大桥主梁为原型,设计了缩尺比为1∶20的T形梁波浪荷载物理模型试验,研究了不同影响因素组合工况下T形梁结构模型波浪荷载的时程分布特征,基于三种影响因素(水深、波速和淹没系数),进行了结构波浪荷载参数敏感性分析,得到以下结论:

(1) T形梁模型在未淹没状态下,其主梁顶板底面板承受主要的竖向波浪力,而顶板上面板承受主要的反向波浪力。迎浪侧前两根梁承担主要的水平波浪力与反向水平力,且竖向及水平波浪力在峰值附近出现突变震荡现象。此外,在半淹没状态下,梁肋间被密闭的气体产生超压效应,导致波浪力中的抨击力成分更加显著。

(2) T形梁模型在全淹没状态下,其模型两侧肋梁承受主要的水平波浪力,而迎浪侧第二根梁承受主要的反向水平波浪力。同时水平波浪力的峰值时刻晚于竖向波浪力和倾覆力矩的峰值时刻,这表明随着淹没深度的增加,主梁结构发生倾覆破坏的时刻要早于发生横向侧移发生破坏的时刻。

(3) 随着淹没深度的增加,T形梁模型倾覆力矩呈现先增大后减小的趋势,面板上覆水体在一定程度上对主梁结构倾覆破坏起到减缓作用。当波浪与T形梁相互作用时,竖向波浪力的力臂大于水平波浪力的力臂,倾覆力矩时程曲线特征基本与竖向波浪力时程特征保持一致,这表明竖向波浪力对倾覆力矩起主导作用。

(4) T形梁模型波浪载荷受波速与淹没系数影响显著。水平荷载、竖向荷载和倾覆力矩均随着波速增加总体呈现增加的趋势,而随淹没系数增加则呈现先增加后减少的趋势。在半淹没状态下,各荷载达到峰值,当水位淹没梁顶时,荷载值减小。此外,水平荷载、竖向荷载和倾覆力矩受波高影响机制较为复杂,因此未能呈现明显规律性。在未来的研究中,将开展各参数对波浪力影响的定量分析,以系统量化各载荷受不同参数影响的程度。

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Study on Extreme Wave Load Distribution Characteristics and Parameter Sensitivity of Cross-Sea T-Beam
Wang Jiajia , Cai Zongrun , Chen Xiaokun , Xiao Lili , Xu Xin , Yu Xi , Xia Mengqi , Gao Ruize     
College of Highway, Chang'an University, Xi'an 710064, China
Abstract: The safety of the construction and operation of cross-sea Bridges is seriously threatened by the extreme wave load near the sea and has a great impact on regional traffic. In order to clarify the stress characteristics of bridge main beams in off shore areas under extreme wave action, a physical model test with a scale ratio of 1∶20 was carried out using an indoor wave making tank to study the time history curve and peak characteristics of the horizontal wave force, vertical wave force and overturning moment of T-beam under the combined conditions of different test water depth, wave making speed and submerged coefficient. Then, considering the above three factors, the parameter sensitivity analysis of wave load characteristics of T-beam is carried out. The results show that: (1) The wave force of T-beam is significantly affected by water depth. With the increase of submerged depth, the vertical wave force at peak time decreases first and then increases, and the direction changes from upward to downward; The change trend of horizontal wave force at peak time is consistent with that of vertical wave force, but the direction is unchanged. The overturning moment increases first and then decreases, and the peak value is the largest in semⅠ-submerged state. (2) The vertical wave force on the lower panel of the roof is larger, while the reverse vertical wave force on the upper panel of the roof is larger for the T-beam in the non-submerged state; The two beams whose waves reach first mainly bear larger horizontal wave force and reverse horizontal force; (3) For the T-beam in the completely submerged state, the beam on both sides of the model bears a larger positive horizontal force, while the second beam on the wave facing side bears most of the reverse horizontal wave force; (4) Considering the three influencing factors, the parametric sensitivity analysis results show that the wave load of T-beam is significantly affected by wave velocity and inundation coefficient, while the law of wave altitude influence is more complex, and no obvious law is reflected. In this paper, the extreme wave load distribution and action characteristics of cross-sea T-beam are studied, and the main factors affecting the wave force and overturning moment of T-beam are discussed. The research results are of great significance to the safety of cross-sea bridge structure.
Key words: cross-sea T-beam    extreme wave    force characteristic    physical model test    wave load distribution    parameter sensitivity