中馬友誼大橋主橋墩鋼吊箱壓力實測數據分析

高寧波，張鴻，張永濤

（中交第二航務工程局有限公司博士后科研工作站，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著大型跨海橋梁工程的不斷發展，鋼吊箱鋼護筒技術在跨海橋梁設計施工中得到了廣泛的應用。考慮到波浪荷載一般是鋼吊箱設計和施工過程中的控制荷載，波浪荷載計算的準確與否，將直接影響鋼吊箱的穩定性和可靠性。近年來國內外學者針對鋼吊箱圍堰結構和大直徑圓柱進行了大量的研究。吳加云等[1]基于子空間迭代得到了特大型鋼吊箱結構的各階頻率和陣型，并采用特征波法分析了其在按余弦規律變化的波浪荷載作用下的動力響應。祝兵[2]采用虛擬邊界法處理結構物邊界，討論了三維波浪作用下大直徑圓柱的繞射問題。黃博等[3]研究了三維波浪作用下鋼吊箱圍堰下放過程中的受力變化規律。周華等[4]針對外海無掩護水域高樁承臺采用的有底鋼吊箱，分析了鋼吊箱施工過程中各種最不利工況下的波浪荷載。康啊真等[5]引入浸沒邊界法處理不規則結構物界面，研究了波浪作用下不同吃水深度的圓端形鋼吊箱圍堰波浪荷載。任效忠[6]采用試驗和數值方法研究了準橢圓沉箱的波浪力。

針對鋼吊箱等大尺度結構物的波浪荷載問題，《海港工程設計手冊》[7]推薦采用躉船模型近似估算鋼吊箱波浪荷載。該估算模型對于規則形狀的鋼吊箱，尚能給出滿足實際工程要求的近似結果，但是對于各種異形鋼吊箱（啞鈴形、紡錘形等），則存在很大的誤差。本文依托中馬友誼大橋項目，通過在鋼吊箱外壁面布置36組壓力傳感器，現場實測波流荷載，指導鋼吊箱下放施工作業。

1 項目實測概況

馬爾代夫馬累-機場島跨海大橋工程是世界首次在珊瑚礁地層、涌浪環境下修建的跨海大橋[8]，主橋20號墩是通航孔橋墩，其基礎形式為摩擦群樁基礎，呈7樁梭形分布。主橋墩鋼吊箱下放到位后，相對平均海平面吃水為5 m，圖1給出了20號主橋墩鋼吊箱的尺寸以及6個面的編號順序。每個壁面布置6組壓力傳感器，沿水深布置3層，每層2組傳感器。整個鋼吊箱外壁面上總共布置36組壓力傳感器，其編號從面1到面6分別為Sensor-1～Sensor-36。考慮到主橋20號墩所處海域2 a一遇高水位為0．55 m，2 a一遇低水位為-0．55 m，因而每個面第1層壓力傳感器布置高程為0 m，第2層高程為-1 m，第3層高程為-3 m。圖2給出了面1上6組壓力傳感器的布置位置示意圖。

圖1 主橋20號墩鋼吊箱俯視圖Fig.1 Top view of the No.20 steel cofferdam

圖2 面1上6組壓力傳感器布置位置示意圖Fig.2 Sketch of the location of 6 pressure sensors

2 數據分析與討論

壓力傳感器布置到位后，設定采樣頻率為1 Hz，整個實測工作進行1周，取其中連續的4 d數據進行分析，起止日期為2017-04-21—25。圖3給出了面1上1號、3號和5號3個壓力傳感器測量值時歷，由圖可知壓力的變化呈現周期性。由于1號傳感器高程為0 m，當海面處于低潮位，傳感器沒有浸沒到海水中，因而傳感器的測量值為大氣壓值（1．01×105Pa）。

圖3 面1上1號、3號和5號3個壓力傳感器測量值時歷Fig.3 Time history of recorded data of Sensor-1,3,5

式中：ρ為海水密度，數值為1．025×103kg/m3；g為重力系數，數值為9．81 N/kg；Ptotal為壓力傳感器測量值；Pair為大氣壓強，數值為1．01×105Pa。進而求得1號、3號和5號壓力傳感器布放的靜水深度分別為 h1=0 m、h3=-1．09 m 和 h5=-3．01 m，這與圖2中壓力傳感器布放位置基本吻合，說明實測中傳感器安裝位置精確可靠。

采用快速傅里葉變換處理實測數據，圖4給出了面1上1號、3號和5號3個壓力傳感器所測壓強時歷的幅值譜。由圖可知f=0 Hz時，3個傳感器上對應的幅值分別為 0．101 MPa、0．112 MPa和0．131 7 MPa，根據前面對于壓力傳感器測量結果組成的分析，該值是大氣壓強和靜水壓強之和，進而可以由式（1）求得壓力傳感器布放的靜水深度h：

圖4 面1上1號、3號和5號3個壓力傳感器測量結果的幅值譜Fig.4 Amplitude spectrums of recorded data of Sensor-1,3,5

圖4中，3個壓力傳感器的幅值譜中均在f=2．21×10-5Hz位置處出現一個小的峰值，該圓頻率對應的周期 T=2π/f約為 4．5×104s，約為 12．5 h。其對應的壓強是由當地顯著的“半日潮”引起，并且可以發現1號壓力傳感器潮流壓強峰值約為1×10-3MPa，而3號和5號壓力傳感器潮流壓強峰值約為2×10-3MPa，這是因為1號壓力傳感器在靜水面處，只有在高潮位時，1號壓力傳感器才浸沒在海水中，考慮到潮流為“半日潮”，因而其潮流壓強峰值是3號和5號壓力傳感器的一半，這表明在鋼吊箱吃水深度范圍內，由“半日潮”引起的流速沿鋼吊箱吃水深度范圍內均勻分布。

采用低通濾波方法將測量數據進行高低頻分離。圖3給出了面1上1號、3號和5號壓力傳感器低通濾波結果與原始測量值的對比，根據分析原始測量數據與低通濾波后的數據之間的差值即為由波浪引起的高頻壓強成分（見圖5）。

圖5 面1上1號、3號和5號3個壓力傳感器波浪壓強Fig.5 Wave pressure in Sensor-1,3,5

本文中鋼吊箱外壁面共布置36個壓力傳感器，考慮到波浪主要作用范圍為自由面附近，因而在每個面上壓力傳感器非均勻布置（見圖2）。鋼吊箱外壁面與x軸之間的夾角可通過鋼吊箱的幾何尺寸確定（見圖1）。對鋼吊箱6個面上36個壓力傳感器進行矢量求和：

式中：pi（t）為每個傳感器上的波浪壓強；Si為鋼吊箱壁面法向，指向鋼吊箱內部。每個壓力傳感器所對應的面積如圖2所示。

圖6給出了鋼吊箱受到的x向（橫橋向）和y向（順橋向）的波浪力，由圖可知x向（橫橋向）波浪力大于y向（順橋向）波浪力，這與本海域波浪主浪向偏東南方向（SSE）相符。鋼吊箱受到的波浪合力最大值約為180 t（對應的橫坐標約為0．3，即最大波浪力發生在4月21日）。

圖6 鋼吊箱受到的x向（橫橋向）和y向（順橋向）波浪力Fig.6 Wave forces on steel cofferdam in x and y directions

在進行海洋環境荷載現場實測的同時，還實時監測了同一時間段內主橋20號墩位處的海洋波浪統計特征。測量儀器布置在主橋20號墩位外側海底，通過線纜每隔0．5 h傳輸1次數據，得到該海域波浪統計值。表1給出了主橋20號墩位海域在2017-04-21—25每天的波浪統計特征平均值，由表1可知，波高最大值出現在04-21，這與圖6中測得的鋼吊箱波浪合力最大值出現的日期吻合。

表1 主橋20號墩位處波浪條件Table 1 Wave conditions in No.20 pier

《海港工程設計手冊》[7]中對于鋼吊箱這種大尺度結構推薦采用躉船模型計算其波浪荷載（見圖7），計算時先計算躉船在吃水深度T范圍內的局部反射波高：

式中：Kr為局部反射系數。

式中：L為波長；d為水深；η為原始波峰在靜水面以上的高度。

圖7 波浪對躉船的作用示意圖Fig.7 Sketch of wave impact on barge

式中：h0為原始波浪中心線對靜水面的超高值，其表達式如下：

干涉波高：

在繪制躉船波浪壓力分布圖時，把干涉波看成由假想的行進波（波高為H′）完全反射形成的立波，于是水深d處的壓強：

水面處的壓強：

式中：h′0為假想的立波波浪中心線對靜水面的超高值。

以表1中最大波浪值作為輸入波浪，由上述躉船波浪荷載計算模型近似計算得到鋼吊箱波浪荷載約為400 t，規范估算值遠遠大于實際測量值，考慮到鋼吊箱多為臨時性施工輔助結構，且樣式多變，采用躉船模型估算鋼吊箱波浪荷載存在一定的不合理性，因而需要進一步優化鋼吊箱波浪荷載估算模型，降低估算值與實際值之間的偏差，進而提高施工經濟性。

3 結語

本文依托中馬友誼大橋項目，進行現場波流荷載監測，通過在鋼吊箱外壁面上布置36組壓力傳感器，初步得到了鋼吊箱外壁面上壓力分布值，采用FFT和低通濾波方法，分離出了實測數據中各不同頻率分量，準確的確定了“半日潮”的周期和由波浪引起的壓強分量。通過對波浪壓強在鋼吊箱每個壁面進行面積矢量積分，得到了鋼吊箱受到的波浪力，形成了一套適用于海上結構物波浪荷載實測及數據處理的方法，為后續CFD數值計算提供對比標準。