近海箱型梁橋受海嘯波浪力作用試驗研究

谷 音， 張曉龍， 鄭福鼎， 陳潤飛

(福州大學 土木工程學院，福州 350000)

波浪與橋梁上部結構的相互作用是一個復雜的問題，諸如碎波沖擊和覆頂?shù)取蛎姘蹇赡軙徊ɡ藫袈洌约傲洪g滯留空氣引起的浮力也可能會增加橋面板的毀壞風險，從而導致問題更加復雜，如圖1。波浪對橋梁上部結構的作用力主要分為垂直分力和水平分力，如果這些載荷中的任何一個超過了結構的承載能力，就會發(fā)生結構破壞。2006年美國伊萬颶風引起的巨浪對近海石油工業(yè)和墨西哥灣沿岸地區(qū)造成了嚴重破壞[1]。2011年日本東北部海域發(fā)生里氏9.0級地震，大部分沿海橋梁在地震中完好無損，但卻被隨之而來的海嘯摧毀了，海嘯波分布在500 km海岸線上，破壞了日本及太平洋周邊許多地方的結構物[2]。近海區(qū)的橋梁結構會受到風暴潮、海嘯等沖擊，對橋梁造成的損傷有可能比地震嚴重。

為避免波浪對橋梁上部結構的沖擊，在多數(shù)情況下，橋梁的垂直凈空應滿足100年設計波峰高程(包括設計水位高程)的凈空。但是當遇到極端氣候時，橋梁的垂直凈空仍不足以保護橋梁的上部結構，故針對極端狀況下橋梁上波浪力的準確計算與預測在實際的橋梁工程中是十分重要的。美國聯(lián)邦公路管理局針對易受風暴影響的海岸橋梁發(fā)布了指導性規(guī)范《Guide Specifications for Bridges Vulnerable to Coastal Storms》[3]，通過對箱梁橋和板式梁橋上部結構所受波浪力的對比分析，從而針對不同案例中橋梁的破壞情況進行等級劃分。JTS 145-2—2013《海港水文規(guī)范》[4]也給出高樁橋墩橋面板底部波浪托浮力的計算式，對橋梁上部結構所受波浪托浮力提供了一定的參考意義，但在上述規(guī)范中橋梁結構所受波浪力的計算具有局限性。雖然國內外眾多專家、學者對結構在波浪沖擊作用下的相關問題開展了試驗研究和理論分析[5-8]，目前波浪力在橋梁結構上的具體分布情況還較為缺乏。

橋梁上部結構的立面布置以及橫截面形式都是比較多樣化的，很難有統(tǒng)一化的波浪力計算模型。故波浪力的直接試驗是評估橋梁結構所受波浪力大小和規(guī)律的最有效的方法。Cuomo等[9]在1∶25比例的模型上測量了波浪作用下帶有突出結構的橋墩的壓力分布情況，為橋面板波浪載荷的設計提供了新的指導。Bradner等[10]通過在1∶5比例的鋼筋混凝土橋梁上部結構進行了一系列試驗，通過改變水平支撐體系的剛度來表征橋梁系統(tǒng)的不同動態(tài)特性。Guo等[11]采用1∶10全橋模型進行試驗研究，包括橋梁上部結構、下部結構和鄰近部分。分析了豎向波浪力的準靜態(tài)分量和沖擊分量，研究了上部結構在不同凈空、浪高、周期下的水平波浪力分量。Park等[12]在進行波浪水槽試驗時發(fā)現(xiàn)，波浪沖擊近海橋梁時的淹沒高度決定了波浪力的大小，與靜水位的高度沒有絕對關系。張家瑋等[13]在平潭海峽大橋的參數(shù)基礎上，開展了1∶30比例的箱梁波浪沖擊試驗，分析了不同波浪條件下箱梁受波浪力的作用特點，得出在靜水位淹沒系數(shù)為1.5時，梁體所受托浮力最大。Huang等[14]采用1∶30比例模型，研究了某近海橋梁在臺風天氣下波浪對箱梁的沖擊情況。結果表明，靜水位淹沒系數(shù)為0時，水平正向力和豎直向上力最大，而當靜水位淹沒系數(shù)為1時，豎直向下力最大。Fang等[15]設計和制作了1∶10比例的橋梁模型。在波浪水槽中進行了不同浪高、浪隙和浪角的試驗，當波浪以30°沖擊橋梁時，豎向力達到最大。

在橋梁上部結構所受波浪力的理論研究方面，Xiao等[16]采用流體體積法來描述動態(tài)自由曲面，模擬波浪破碎和波浪與板梁相互作用過程中的復雜不連續(xù)自由曲面。Bozorgnia等[17]采用三維數(shù)值模型計算在風暴潮作用下橋面板的波浪力。Guo等[18]提出了一種基于勢流法的分析方法來估計作用于浸水橋梁上部結構的波浪力，分析了波浪作用下浸水橋面的邊值問題。Hayatdavoodi等[19]發(fā)現(xiàn)計算流體動力學(CFD)在確定橋面板上的波浪載荷時，無論橋面是在靜水位之上還是水下，都能得到令人滿意的結果。Huang等[20]用數(shù)值方法研究了箱型梁沿海橋梁上部結構的孤波力。通過與試驗測量值的比較，表明T型梁和箱型梁所受波浪力存在顯著差異。最后，提出了一種改進的箱梁橋海嘯力估算經驗公式。可以看出目前大多數(shù)研究對象為橋梁的上部結構，主要評估極端波浪荷載所造成的落梁風險。

為了更加真實地模擬近海橋梁在海嘯波作用下的受力情況，并且考慮到剛構橋墩梁固結的橋型特點可以有效減少落梁風險，本文試驗采用潰壩波模擬海嘯波，分析了海嘯波作用下剛構橋在不同橋向所受壓強的變化規(guī)律；計算比較了波速或沖擊淹沒系數(shù)的變化對結構波浪力的影響；研究了不同波高或波速下橋墩峰值壓強的差異。本試驗可以為剛構橋在海嘯極端災害下的真實受力情況提供參考。

1 模型制作及相關參數(shù)設置

此次試驗研究模型參考廈門演武大橋A匝道橋的第一聯(lián)橋型，其主橋為混凝土連續(xù)剛構橋，上部為流線型箱形梁，下部為圓柱式橋墩，整座橋都位于海面之上。箱梁構件模型制作原型高度為5 m，寬10 m，長22.5 m，按Froude相似準則擬定箱梁試驗模型比尺為1∶25。試件采用3D打印機打印模型，模型尺寸：梁段長0.9 m、梁寬0.4 m、梁高0.07 m、墩高0.13 m，墩直徑0.064 m。在本文定義波浪沖擊時的淹沒系數(shù)Cs為波峰超出梁底高度z與梁高Hb的比值，如圖2所示。

圖2 沖擊淹沒系數(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of impact flooding coefficient

2 傳感器布置及試驗模型安裝

在打印結束后在內部澆筑鋼筋混凝土進行拼接加固，并預留傳感器通道，加固后的構件和壓強傳感器點位布置及安裝如圖3所示。傳感器的安裝方向為結構表面外法線的方向。在橋梁結構受到海嘯波的沖擊時，由二維測力儀測量整個結構水平力和豎向力的歷時曲線數(shù)據(jù)，由壓強傳感器逐時記錄各點位的壓強歷時曲線。

圖3 壓強傳感器布置點位示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressure sensor arrangement points

本次海嘯波試驗，依托福州大學水利館海嘯波試驗設備進行，此設備基于潰壩機制來模擬海嘯波，圖4為試驗水槽示意圖。

(a) 試驗設備主要組成現(xiàn)場圖

(b) 試驗設備主要組成尺寸圖(m)

(c) 主水槽側視圖(m)圖4 試驗水槽示意圖Fig.4 Schematic diagram of experimental sink

試驗水槽中的海嘯波基于潰壩波原理，放水閘門瞬間提起，使水庫中的水體瞬間釋放，涌入主水槽中，從而來模擬海嘯波，如圖5所示。為了獲得試驗所需的波高和波速，在主水槽中設有兩個波高儀，波高儀之間的距離為1 m，模型與較近的波高儀之間的距離也為1 m，取兩個波高儀測得的波高的平均值作為試驗所需的波高。而兩個波高儀之間的距離除以海嘯波通過兩個波高儀的時間差的值則作為波速。

圖5 波浪沖擊梁體模型圖Fig.5 Wave impact beam model

箱梁原型與模型各項參數(shù)的相似比詳如表1所示。模型安裝之前，通過調水庫的水位W(分別取0.5、0.6、0.7 m)以及閘門開啟高度G(分別取0.25、0.3、0.35、0.4、0.45 m)，來產生15種不同工況的海嘯波，每種工況測量5～6次，然后挑選和計算出理想的波高h和波速u。整理之后不同工況海嘯波參數(shù)如表2所示。

表1 箱梁原型與模型的相似比(1/25)Tab.1 Box beam prototype to model similarity ratio (1/25)

表2 海嘯波參數(shù)試驗結果Tab.2 Tsunami wave condition experimental results

3 海嘯波試驗結果分析

3.1 海嘯波對不同橋向壓強分布的影響

本試驗采用潰壩波的原理來制造海嘯波，重點研究波浪沖擊模型瞬時的峰值波浪力，當波浪力趨于穩(wěn)態(tài)時便停止采集。根據(jù)試驗結果，當海嘯波條件一定時，觀察沿橫橋向和縱橋向的不同壓強測量點位的壓強變化規(guī)律(橫橋向：橋梁橫截面下方的不同位置；縱橋向：沿橋梁縱向的不同位置)。

為了使對比明顯，選用組次14海嘯波條件的試驗結果進行分析。在此條件下，波速為3.24 m/s，波高為0.271 m，沖擊淹沒系數(shù)為2。選取測量點P6、P7、P8比較沿橫橋方向壓強的變化，圖6示意了測量點P6、P7、P8在橫橋向的外法線方向，圖7為橋梁上部結構所受壓強歷時曲線沿橫橋方向的變化，由于三個測量點位豎向高度不同，P8最先受到波浪沖擊，壓強歷時曲線都是先急劇升高在降低，然后再逐漸趨于緩和；在緩和段P6的壓強最大。橫橋向不同測量點位壓強差計算如表3所示，測量點位P7比P6的峰值壓強高25.6%，P8比P7的峰值壓強降低了14.7%，說明梁在受到波浪沖擊時，其壓強不僅與豎向高度有關，梁的受沖擊表面外法線方向對壓強的影響更大，即從橫橋向上看，波浪以垂直角度沖擊梁底表面的位置介于P6與P8之間。

表3 橫橋向各測量點位的峰值壓強比較Tab.3 Comparison of peak pressure across the bridge to various measurement points

圖6 P6、P7、P8橫橋向外法線方向Fig.6 Exterior normal directions of P6, P7 and P8 across the bridge

圖7 結構所受壓強歷時曲線沿橫橋方向的變化Fig.7 Varieties in the duration curve of the structure under pressure along the direction of the transverse bridge

選取測量點P5、P6、P13比較沿縱橋方向壓強的變化。圖8為橋梁上部結構所受壓強歷時曲線沿縱橋方向的變化，三個測量點位在受到波浪沖擊時，壓強歷時曲線都是先急劇升高再趨于緩和；在緩和段，跨中處壓強要普遍高于橋墩處壓強。沿縱橋向各測量點位的峰值壓強比較如表4所示，結果顯示跨中處的峰值壓強較橋墩處更大，P5和P13的峰值壓強幾乎相等，比橋墩處P6的峰值壓強高10.3%，說明橋墩對波浪起到一定的阻流作用，可以有效降低橋墩處測量點位的峰值壓強。

圖8 結構所受壓強歷時曲線沿縱橋向的變化Fig.8 The varieties of the pressure history of the structure along the longitudinal bridge

表4 縱橋向各測量點位的峰值壓強比較Tab.4 Comparison of peak pressure of longitudinal bridge to various measurement points

3.2 波速因素對結構波浪力的影響

根據(jù)表2中所的海嘯波條件，對于組次3和7，其波高均為0.201 m，此時沖擊淹沒系數(shù)為1，波速分別為2.89 m/s和3.11 m/s；對于組次4和8，其波高均約為0.21 m，此時沖擊淹沒系數(shù)為1.14，波速分別為2.95 m/s和3.08 m/s，在此條件下橋梁結構所受水平力和豎向力歷時曲線如圖9和圖10所示。

圖9 不同波速條件下結構水平力歷時曲線Fig.9 Structure horizontal force duration curve under different wave speed conditions

圖10 不同波速條件下結構豎向力歷時曲線Fig.10 Vertical force duration curve of structure under different wave speed conditions

通過圖9和圖10可以看出，結構所受水平力會瞬間上升，在波浪沖擊到箱梁時由于結構受到動水沖擊力的作用，水平力達到峰值，之后水平力會有所下降，隨著波浪逐漸淹沒梁體，水平力再次上升然后緩慢下降。對于結構所受豎向力會有明顯的起伏，這是由于波浪與上部結構碰撞以及模型所受浮力引起的，在波浪剛好淹沒上部結構時，豎向力達到峰值，隨后降低。

不同波速作用下橋梁結構所受波浪力差值計算結果如表5所示。在沖擊淹沒系數(shù)為1時，波速增加7.6%，則水平力增加22.1%，豎向力增加19.2%；在沖擊淹沒系數(shù)為1.14時，波速增加4.4%，水平力增加15.9%，豎向力增加7.3%；說明波速的變化對結構所受水平力的影響更大。在沖擊淹沒系數(shù)大于1時，波速對結構所受水平力的影響明顯大于對豎向力的影響程度。

表5 橋梁結構所受波浪力對比Tab.5 Comparison of wave forces on bridge structures

3.3 波浪沖擊淹沒系數(shù)因素對結構波浪力的影響

根據(jù)表3中的海嘯波條件，分別選取組次3和6、組次12和14作為研究淹沒系數(shù)因素對橋梁結構波浪力影響的理想組次(波速相同，沖擊淹沒系數(shù)相差較明顯)。對于組次3和6，其波速均為2.89 m/s，此時沖擊淹沒系數(shù)分別1.01和0.71，在此條件下橋梁結構所受水平力和豎向力歷時曲線如圖11和圖12所示。對于組次12和14，其波速均為3.24 m/s，此時沖擊淹沒系數(shù)分別1.42和2.01，在此條件下橋梁結構所受水平力和豎向力歷時曲線如圖11和圖12所示。

圖11 不同沖擊淹沒系數(shù)下結構水平力歷時曲線Fig.11 Horizontal force duration curve of structure under different impact submergence coefficients

圖12 不同沖擊淹沒系數(shù)下結構豎向力歷時曲線Fig.12 Vertical force duration curve of structure under different impact flooding coefficients

通過圖11和圖12可以看出，結構所受水平力和豎向力的整體變化趨勢與3.2節(jié)的描述大致相同，便不再贅述。不同沖擊淹沒系數(shù)作用下橋梁結構所受波浪力差值計算結果表5。在波速相同時，沖擊淹沒系數(shù)從1降低到0.71(-29.7%)，水平力峰值降低了10.1%，豎向力降低了6.7%，沖擊淹沒系數(shù)從1.42增加到2(40.8%)，水平力峰值增加了22.0%，豎向力增加了8.9%，說明沖擊淹沒系數(shù)的變化對結構所受水平力的影響更為明顯。

表5中列出了8種組次的豎向力峰值與水平力峰值的比值大小，除了組次14，即沖擊淹沒系數(shù)為2.01時，豎向力峰值與水平力峰值之比為1.77，而對于其他組次，豎向力峰值與水平力峰值的比值都趨近于2。說明當沖擊淹沒系數(shù)偏大時，豎向力峰值的增加幅度要小于水平力峰值，這進一步驗證了當波速或沖擊淹沒系數(shù)變化時，結構所受水平力的受影響程度要比豎向力更為顯著。

3.4 波速因素對橋墩壓強的影響

當整個橋梁結構受到海嘯波的沖擊時，橋墩是最先受到海嘯波沖擊的部位，本節(jié)著重分析傳感器所測量的橋墩壓強歷時曲線。

對于組次3和7，其波高均為0.201 m，波速分別為2.89 m/s和3.11 m/s，在此條件下橋墩測量點位P9所受壓強歷時曲線如圖13所示。對于組次4和8，其波高均為0.213 5 m，波速分別為2.95 m/s和3.08 m/s，在此條件下橋墩點位P9所受壓強歷時曲線如圖13所示。

圖13 不同波速組次條件下橋墩P9所受壓強歷時曲線Fig.13 Duration curve of pressure on pier P9 under different wave speed conditions

從圖13和表6可以看出，波高為0.201 m時，波速差為7.6%，壓強峰值相差18.0%；波高為0.214 m時，波速差為4.4%，壓強峰值相差22.9%，說明當波高一樣時，隨著波速的增加，橋墩所受峰值壓強顯著增大，說明橋墩所受波浪力對波速的變化較敏感。

表6 橋墩P9點位所受壓強對比Tab.6 Comparison of the pressure at point P9

3.5 波高因素對橋墩壓強的影響

分別選取組次3和6、組次12和14作為研究波高因素對橋墩波浪力影響的理想組次(波速相同，波高相差較明顯)。對于組次3和6，其波速均為2.89 m/s，此時波高分別0.201 m和0.18 m，在此條件下橋墩點位P9壓強歷時曲線如圖14所示。對于組次12和14，其波速均為3.24 m/s，此時波高分別為0.229 m和0.271 m，在此條件下橋墩點位P9壓強歷時曲線如圖14所示。

圖14 不同波高組次條件下橋墩P9所受壓強歷時曲線Fig.14 Duration curve of pressure on pier P9 under different wave height groups

從圖14和表6可以看出，波速為2.89 m/s時，波高減小10.4%，壓強峰值減小3.5%，波速為3.24 m/s時，波高增大18.3%，而壓強峰值僅增大5.1%，說明在波速相同時，波高的變化對橋墩壓強峰值的影響較小。

4 結 論

本文主要研究海嘯波在沿海橋梁結構上的波浪力作用規(guī)律，采用箱梁截面形式的橋梁模型，進行了1∶25縮尺模型海嘯波沖擊試驗，測量不同波浪條件下箱梁結構和橋墩的波浪力。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可以得到以下結論：

(1) 在波浪剛沖擊到主梁時，由于主梁受到波浪前沿水頭的快速擊打，即動水沖擊力的作用，結構所受壓強會瞬間達到最大峰值，隨后，當波浪水流逐漸浸沒橋體時，由于受到動水壓力的作用，壓強趨于穩(wěn)定變化。并且，沿橋梁的橫橋向方向，梁在受到波浪沖擊時，其壓強不僅與豎向高度有關，梁的受沖擊表面的外法線方向對波浪力的影響更大；而沿橋梁的縱橋向方向，跨中處的峰值壓強較橋墩處更大。

(2) 當沖擊淹沒系數(shù)不變時，波速的變化對結構所受水平力的影響更大，在沖擊淹沒系數(shù)大于1時，波速對結構所受水平力的影響明顯大于對豎向力的影響程度；而當波速不變時，沖擊淹沒系數(shù)的變化同樣對結構所受水平力的影響更為明顯。并且，不同波速或沖擊淹沒系數(shù)下結構所受的豎向力峰值約為水平力峰值的兩倍，而當沖擊淹沒系數(shù)偏大時，豎向力峰值的增加幅度要小于水平力峰值，當波速或沖擊淹沒系數(shù)變化時，結構所受水平力的受影響程度要比豎向力更為顯著。豎向力峰值與水平力峰值兩倍的原因可能是因為在豎直方向梁體還會受到波浪前進上浮力之類因素的影響，波浪前進中被梁體截斷后，部分波浪上行造成豎向力增大，從二者的壓強歷時曲線比較也可以看出，豎向力峰值在水平力峰值出現(xiàn)之后，兩個方向上數(shù)值相關性還需要更多試驗和參數(shù)分析確定。

(3) 在波高相同時，隨著波速的增大，橋墩所受峰值壓強顯著增大；而在波速相同時，峰值壓強的變化隨波高的變化并不明顯，說明了對于橋墩所受的峰值波浪力，波速占主導作用。