船－橋間水動力對橋區(qū)通航安全的影響研究

黃瓊

摘 要：在橋區(qū)通航安全問題中，船舶運動過程中的受力情況與橋墩周圍紊流特征息息相關(guān)，為了解船-橋間水動力對橋區(qū)通航的干擾作用，本文采用概化水槽模型試驗研究船-橋交會運動過程中船橋間距對船舶受力的影響。實驗研究表明，船舶行進過程中所受艏搖力矩源于橋墩周圍渦體貼近船體時產(chǎn)生的負壓區(qū)，且船舶所受艏搖力矩的最大值隨船橋間橫向距離的增大而減小;船體受渦體負壓區(qū)的影響程度與渦體的瞬時形態(tài)相關(guān)，具有不確定性。

關(guān)鍵詞：船-橋交會;物理模型;水壓力;艏搖力矩

中圖分類號：U698 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）07-0039-03

隨著經(jīng)濟的發(fā)展及城市的發(fā)展，跨河橋梁的數(shù)量及密集程度顯著增長，橋區(qū)通航安全問題日益突出[1]。在船舶的安全通航領(lǐng)域，界定航行船只與橋墩間的富余寬度是一項非常關(guān)鍵的任務，當下富余寬度通常是依照圍繞橋墩所形成的礙航紊流的界限來界定[2-3]。影響橋墩周圍紊流特性的因素有許多，如水深[4]、橋墩形態(tài)[4-5]、行近流速等[6-7]，而船舶作為剛體大變形動邊界，對橋墩周圍紊流的作用不容忽視，行船過程中沒有將船-橋間水動力納入影響因素，可能導致所界定的富余寬度不足，影響航行安全。

為了解船-橋間水動力對橋區(qū)通航的干擾作用，本文采用物理模型試驗方法研究船-橋間距對船舶受力的影響，并分析船舶所受艏搖力矩與水流結(jié)構(gòu)的相關(guān)性及其原理。

1模型設(shè)計

1.1相似比尺

試驗采用鋼化玻璃水槽，斷面為長方形，水槽總長度35.00m，凈寬1.60m，凈高0.50m。根據(jù)水槽尺寸與配套給水系統(tǒng)的供水能力，并結(jié)合縮尺效應的影響，選取幾何比尺λL=1：50的正態(tài)比尺模型。

1.2船模及橋墩模型

船體受橋墩周圍紊流渦體負壓區(qū)的影響程度，跟橋墩橫斷面直徑長度D與船長LC的比值呈正相關(guān)性，即D/Lc的值越大，船舶行駛過橋區(qū)的安全隱患越大。本實驗以最不利情況為研究對象，參照三峽庫區(qū)運輸船舶標準船型主尺度表，采用500噸級普通駁船為實驗原型，500噸級原型船舶主尺度為45m×10.8m。船模選擇與玻璃水槽一致的正態(tài)模型，幾何比尺λL=1：50，如圖1所示。

1.3船橋交會運動坐標系

實驗模擬原型中船舶與橋墩交會的過程，水流行近流速為2m/s，船舶順水流方向航行，對岸航速為2m/s。試驗受到水槽寬度的限制，為了消除水槽邊界對水流結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的作用，本試驗選取隨船運動的坐標系（動坐標系統(tǒng)），水流行進流速與船舶的對岸航速相等，因此試驗時可認為船舶與水流無相對運動，水流流速為零，而橋墩以2m/s的速度上行，如圖2所示。

1.4試驗手段

本文使用昆山雙橋傳感器測控有限公司生產(chǎn)的壓力傳感器（CYG505）測量船體表面點脈動壓力的變化。根據(jù)船舶受力的分布特點，在船舶靠近橋墩的一側(cè)布置4處壓力傳感器，測量船體行進過程中所受的壓力值。傳感器布置位置如圖3所示。

2 試驗場次安排

本次實驗水深為10m，可不計船模所受淺水效應的影響，橋墩以2.0m/s恒定速度行進，船模順水流方向航行，其對岸航速與水流流速相等。

在上述條件不變的前提下，采用不同的船橋橫向間距L進行試驗，采集船舶與橋墩交會過程中船體表面所受脈動點壓力的數(shù)值，對船舶駛過橋墩時的體表受力過程進行研究，具體實驗參數(shù)見表1，D表示橋墩直徑，1.0D表示1倍的橋墩直徑。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 船體周圍壓力分布演進規(guī)律

以表1所示工況1為例分析，圖3所示的四個測點移動至橋墩中垂線的時刻分別為t1=3.6s，t2=4.3s，t3=5.0s，t4=6.1s。各測點的受力變化都有一個共性，即各測點的首個峰值都出現(xiàn)在該測點與橋墩交會的時刻。當船體位置移動至墩后，墩后水流經(jīng)過船-橋間隙迅速擴散，引起壓力測值驟降，船橋間負壓急劇減小至靜水壓力值之下。壓力值的減小程度與橋墩下游渦體的瞬時形態(tài)有關(guān)，具有一定的隨機性。隨著船舶繼續(xù)行進，船與橋墩之間的距離拉遠，橋墩后紊流對船體影響相應減弱，船身所受壓力值恢復到接近靜水壓力且稍小于靜水壓力的狀態(tài)，如圖4所示。

分析可知，船舶與橋墩交會進程中所受艏搖力矩來自橋墩周圍渦體貼近船體產(chǎn)生的負壓區(qū);船首與橋墩交會時所受力矩最大，此時的船-橋間水動力最有可能導致船舶出現(xiàn)欠控、甚至失控。

3.2船橋間橫向距離對船舶受力的影響

橋墩周圍的礙航紊流是船體在經(jīng)過橋墩時產(chǎn)生艏搖力矩的重要原因[8-10]。通過分析船舶與橋墩交會過程中，船體表面所受壓力的分布特點，可探究船舶受水流結(jié)構(gòu)影響產(chǎn)生艏搖力矩的機理。

以測點1#、2#的壓力測值為例，分析表1所示四種工況的脈動壓強變化規(guī)律。隨著船-橋間橫向距離的改變，船舶運動過程中的體表壓力值見圖5和圖6所示。船舶體表所受壓力測值隨著船-橋間距的減小而逐漸增大，船舶沿程所受壓力峰值在船首到達橋墩附近時出現(xiàn)，此時，船橋間水流的負壓區(qū)拉力和橋墩兩側(cè)渦體的壓力同時作用于船體。

船舶行駛過橋墩后的受力有明顯的波動，船體受渦體負壓區(qū)的影響程度與渦體的瞬時形態(tài)相關(guān)，具有不確定性，與船體和橋墩尾渦交會的時機有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）船舶運動過程中受到的艏搖力矩來自橋墩周圍渦體貼近船舶產(chǎn)生的負壓區(qū)，艏搖力矩的最大值隨船橋間橫向距離的增大而減少。

（2）船首與橋墩交會時船舶所受艏搖力矩達到峰值，此時的船-橋間水動力對船舶航行影響最大，是船舶航行的最不利時刻，極易導致船舶出現(xiàn)欠控、甚至失控，行船時應加強警惕。

（3）船體受渦體負壓區(qū)的影響程度與渦體的瞬時形態(tài)相關(guān)，具有不確定性，與船體和橋墩尾渦交會的時機有關(guān)。

參考文獻：

[1]方森松.連續(xù)布置橋墩周圍水流特性研究[D].長沙：長沙理工大學，2011.

[2]沈小雄，程永舟，胡旭躍等.航道邊線與橋墩之間安全距離的研究[J].水運工程，2004（11）：85-87.

[3]歐陽飛.橋墩周圍紊流區(qū)寬度及橋梁通航孔凈寬研究[D].長沙：長沙理工大學，2005.

[4]莊元，劉祖源.橋墩紊流寬度的試驗研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007（10）：846-849.

[5]何小花，陳立等.橋墩紊流寬度的試驗研究[J].水利水運工程學報，2006（3）： 49-53.

[6]祖小勇.圓端形橋墩周圍水流紊動特性及紊流寬度研究[D].長沙：長沙理工大學，2009.

[7]楊志軍，艾萬政.具有彎曲特性河道上橋梁通航寬度的探討[J].水運工程，2007（3）：63-65.

[8] Liu Xiao-ping，Qian Dong-yue，et al. Study on the width of turbulent area around pier with ship impact[C]. Applied Mechanics and Materials （ Germany ） 2012，ISSN： 1660-9336

[9] ZHANG C X， ZOU Z J. Numerical investigation onship-ship hydrodynamic interaction in restrictedwaters[C]. Proceedings of 2nd International Conferenceon Ship Manoeuvring in Shallow and Confined Water：Ship to Ship Interaction， Trondheim， Norway， 2011.407-412.

[10]張晨曦，鄒早建，王化明.駛經(jīng)橋墩船體非定常水動力相互作用數(shù)值預報[J].水動力學研究與進展A輯，2012（3）：359-364.