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施工期跨海桥梁矩形设置基础波流力研究

世界桥梁 2024年第1期52卷 79-86页

作者：康啊真张东明李鑫吴先斌祝兵西南交通大学土木工程学院四川成都610031 桥梁智能与绿色建造全国重点实验室湖北武汉430034 成都大学建筑与土木工程学院四川成都610106

为给跨海桥梁矩形设置基础施工提供参考,研究跨海桥梁矩形设置基础定位下沉过程中墩位水深及结构吃水深度对其波流力的影响。基于垂向多层σ坐标变换模型和大涡模拟LES方法建立三维波浪-流与结构物相互作用的数值仿真模型,分析不同水深... 详细信息

为给跨海桥梁矩形设置基础施工提供参考,研究跨海桥梁矩形设置基础定位下沉过程中墩位水深及结构吃水深度对其波流力的影响。基于垂向多层σ坐标变换模型和大涡模拟LES方法建立三维波浪-流与结构物相互作用的数值仿真模型,分析不同水深及结构吃水深度时,单独波浪作用和波流共同作用下矩形设置基础的波流力及其统计值和流场分布特征,并提出施工期矩形设置基础下沉过程波流力简化算法。结果表明:矩形设置基础在定位下沉过程中,垂直来流传播方向的结构阻水面积随之增大,流场的复杂绕射作用使得波流力峰值呈非线性增大趋势;由于浅水波在整个水深范围影响都比较大,矩形设置基础波流力对结构吃水深度的变化相对深水条件更为敏感;结构波流力峰值不对称系数随吃水深度增加逐渐减小,且波流力表现为正向峰值大于负向峰值的强烈不对称性特点;随着结构吃水深度增加,单独波浪作用、波流共同作用时,在流场复杂绕射作用下,矩形设置基础迎浪侧的波面爬高增大,涡脱现象愈加明显;提出的跨海桥梁矩形设置基础下沉着床过程波流力简化算法可用于估算设置基础施工期波流力。

关键词：跨海桥梁矩形设置基础墩位水深吃水深度波浪力波流力数值模拟

基于LES的跨海桥梁施工期围堰波流力数值模拟

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西南交通大学学报 2020年第3期55卷 537-544,587页

作者：康啊真殷瑞涛祝兵李鑫张家玮西南交通大学土木工程学院四川成都610031

跨海大桥基础施工可能面临水深、浪大和流急等恶劣海况,波流力甚至可能成为围堰施工的主要控制荷载.为研究跨海桥梁施工期围堰波流力,采用垂向多层σ坐标变换模型追踪三维波流自由液面,添加浸没边界法(IBM)处理不规则结构物界面,建立了... 详细信息

跨海大桥基础施工可能面临水深、浪大和流急等恶劣海况,波流力甚至可能成为围堰施工的主要控制荷载.为研究跨海桥梁施工期围堰波流力,采用垂向多层σ坐标变换模型追踪三维波流自由液面,添加浸没边界法(IBM)处理不规则结构物界面,建立了基于LES的三维波流与结构物相互作用的数值模型,利用所建立并验证的三维数值模型模拟不同长宽比的矩形围堰与斜向波流的相互作用.分析结果表明:所建立的三维数值模型能够较好地模拟矩形结构波流力;长宽比为1.0时,由于结构的对称性,波流入射角对围堰总波流力影响很小,增幅均在5%以内;随着长宽比的增加,波流入射角对围堰总波流力的影响增大;如长宽比为2.0时,波流沿纵桥向入射时(90°)结构的总波流力约为沿横桥向入射时(0°)总波流力的2.48倍.与纯波情况相比,矩形围堰波流力普遍比纯波力偏大,但入射角对结构纯波力或波流力的影响系数较为接近.

关键词：围堰大涡模拟计算流体力学波流力

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跨海桥梁圆端形基础波流力缩尺效应研究

世界桥梁 2023年第1期51卷 78-84页

作者：文望青毕昕宇韩嘉怡祝兵中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063 西南交通大学四川成都610031

为研究跨海桥梁圆端形基础在波流力作用下的缩尺效应,以西堠门公铁两用大桥圆端形基础为背景,通过流体计算软件Flow-3D模拟数值水槽,建立6种缩尺比(1∶1,1∶15,1∶25,1∶50,1∶75,1∶100)圆端形基础数值模型,基于RNG k-ε湍流模型、雷... 详细信息

为研究跨海桥梁圆端形基础在波流力作用下的缩尺效应,以西堠门公铁两用大桥圆端形基础为背景,通过流体计算软件Flow-3D模拟数值水槽,建立6种缩尺比(1∶1,1∶15,1∶25,1∶50,1∶75,1∶100)圆端形基础数值模型,基于RNG k-ε湍流模型、雷诺平均方程以及VOF自由液面捕捉法,计算各数值模型所受波流力及其周边水力特性并对比分析,并将1∶1的圆端形基础数值模型所受波流力与规范计算结果对比。结果表明:在波流作用下,圆端形基础周围会出现流速集中现象,缩尺比减小该现象不再明显,但周围流速分布特点大致相同;对于圆端形基础受到的水平波流力,1∶1模型结果小于缩尺模型结果,综合考虑峰值与谷值缩尺模型结果,建议在西堠门公铁两用大桥试验研究中采用1∶25缩尺比;依据现有规范用等效的圆形或矩形估算圆端形结构所受水平波流力,为1∶1圆端形结构数值模拟结果的1.60~1.77倍和1.49~1.70倍,据此进行设计仍可保证结构安全性。

关键词：跨海桥梁圆端形基础缩尺比数值模型缩尺效应波流力

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考虑局部冲刷的跨海桥梁桩基基础波流力

水科学进展 2019年第6期30卷 863-871页

作者：孙天霆王树鹏潘军宁王登婷刘清君南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通行业重点实验室

跨海桥梁桩基基础所受的波流荷载是跨海桥梁设计中重点考虑的荷载之一,实际工程中波流力的计算多参考《港口与航道水文规范:JTS145—2015》中推荐的单桩桩基基础波流力计算方法,未合理考虑局部冲刷形状的影响。以港珠澳大桥为例,在桩基... 详细信息

跨海桥梁桩基基础所受的波流荷载是跨海桥梁设计中重点考虑的荷载之一,实际工程中波流力的计算多参考《港口与航道水文规范:JTS145—2015》中推荐的单桩桩基基础波流力计算方法,未合理考虑局部冲刷形状的影响。以港珠澳大桥为例,在桩基基础波流力和冲刷试验结果的基础上,通过对计算模型中流速、C D、C M等参数的选取进行修正,提出了考虑局部冲刷形状的桩基基础波流力计算方法,在保证工程安全性的同时兼顾了工程的经济性,并成功应用于港珠澳大桥桥梁桩基的设计中。

关键词：跨海桥梁桩基基础波流力局部冲刷港珠澳大桥

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椰树根形桩基波流力及周围海床冲刷数值研究

椰树根形桩基波流力及周围海床冲刷数值研究

作者：邓绪长沙理工大学

学位级别：硕士

为抵抗波浪和海流在跨海桥梁桩基上产生波流力和引起周围海床冲刷带来的不利影响,本文在伞形吸力锚基础的结构形式上结合海岸常见的椰树根系的部分特征,提出了一种由圆墩、主根和侧根三部分构成的新型的跨海大桥桩基结构,命名为椰树根... 详细信息

为抵抗波浪和海流在跨海桥梁桩基上产生波流力和引起周围海床冲刷带来的不利影响,本文在伞形吸力锚基础的结构形式上结合海岸常见的椰树根系的部分特征,提出了一种由圆墩、主根和侧根三部分构成的新型的跨海大桥桩基结构,命名为椰树根形桩基,并采用数值模拟的方法结合相关跨海大桥工程水文资料,研究了该新型桩基在波流耦合作用下受到的水动力荷载和周围海床局部冲刷特性。主要研究内容及结论如下:(1)采用基于三维有限差分方法的流体仿真程序FLOW-3D,利用RNG模型模拟湍流运动,利用VOF方法捕捉自由液面,利用泥沙运动力学相关经验公式模拟泥沙冲刷过程,并结合质量源造波方法和海绵层消波方法,来构建适用于模拟桩基受到波流荷载和周围海床局部冲刷的数值波流水槽。数值水槽模拟结果和相关波流场解析理论、波流荷载计算理论以及桩基周围海床冲刷物理模型试验的对比验证结果合理。(2)利用构建的数值波流水槽,研究了椰树根形桩基的各个构件在波流耦合作用下受到的荷载特征和影响因素。结果表明:相比简单圆柱桩基,椰树根形桩基圆墩上的水平波流合力最大值有所增加;波流作用在主根上的向下水压力远大于侧根上的向上浮托力。流速、水深和波高对各个构件上的水平、竖向波流力均存在较为明显的正相关或负相关的影响。当波高不变时,椰树根形桩基上的水平波流合力最大值与KC数呈负相关趋势,与相对流速Ucw呈正相关趋势;由波高变化引起KC数和Ucw变化时,水平波流合力最大值与KC数呈正相关趋势,与Ucw呈负相关趋势。(3)利用构建的数值波流水槽,研究了波流耦合作用下椰树根形桩基周围海床局部冲刷特征和影响因素。结果表明:在波浪和水流的共同作用下,椰树根形桩基的左右两侧会出现“蝶翅状”的冲刷坑,上、下流侧分别出现“扇形”和“山谷形”的淤积区域;流速或波高的增加,会使椰树根形桩基周围的海床局部冲刷的剧烈程度增加。当水深增加时,最大冲刷深度会减小,但最大冲刷坑面积会增大。当KC0.5时,椰树根形桩基周围的最大平衡冲深与KC数呈负相关趋势,与Ucw呈正相关趋势。研究成果可为跨海桥梁等海洋工程桩基结构的设计优化提供思路,并为桩基周围海床局部冲刷防护提供预测依据。

关键词：近海工程椰树根形桩基波流力海床冲刷数值模拟

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水平圆柱体上波流力特征的数值模拟

舰船科学技术 2021年第11期43卷 27-32页

作者：王艳王树齐王坤鹏江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212003

为了研究波流对水平圆柱的影响,本文对水平圆柱体上的波流力进行研究。首先对数值模型进行验证分析,其次对不同工况下的波流力与自由液面变化进行数值模拟。研究结果表明,对于部分淹没的水平圆柱,波浪的反射与阻塞作用随着波幅的增加而... 详细信息

为了研究波流对水平圆柱的影响,本文对水平圆柱体上的波流力进行研究。首先对数值模型进行验证分析,其次对不同工况下的波流力与自由液面变化进行数值模拟。研究结果表明,对于部分淹没的水平圆柱,波浪的反射与阻塞作用随着波幅的增加而增加,波流力随着波幅与垂向位置的增大而增大,正垂向力随着频率的增大趋于某一特定的值。对于淹没的水平圆柱,随着垂向位置的增加,波反射减小,波阻塞变大且大于波反射。

关键词：水平圆柱不同波幅波流力

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海底管道波流力数值模拟

油气储运 2017年第4期36卷 461-466页

作者：贾宏伟许文兵仲华郎一鸣张芝永杨元平中海石油(中国)有限公司上海分公司浙江省水利河口研究院

波流荷载是影响海底管道稳定的一个主要因素,为得到海底管道在波流共同作用下动力响应过程,基于边界造波法,通过叠加潮流,在Fluent软件中实现了波流条件的耦合,构建了垂向二维波流数值水槽,并将其应用于了海底管道波流力数值模拟计算。... 详细信息

波流荷载是影响海底管道稳定的一个主要因素,为得到海底管道在波流共同作用下动力响应过程,基于边界造波法,通过叠加潮流,在Fluent软件中实现了波流条件的耦合,构建了垂向二维波流数值水槽,并将其应用于了海底管道波流力数值模拟计算。计算结果表明:模型计算结果与相关规范计算结果较为吻合,在波流耦合条件下,管道周围涡旋呈现周期性脱落,管道水平受力及垂直受力均呈现周期性波动,水平受力的波动周期及波动幅值要大于垂直受力情况的波动周期及幅度,管道各方向受力最大值及波动频率随着合流速的增大而增大。

关键词：海底管道波流力数值模拟数值水槽

跨海桥梁承台波流力计算方法与合成系数研究及应用

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世界桥梁 2017年第1期45卷 51-55页

作者：梅大鹏刘清君胡勇王登婷西南交通大学土木工程学院四川成都610031 中铁大桥勘测设计院集团有限公司湖北武汉430050 南京水利科学研究院江苏南京210024

为研究跨海桥梁承台波流力计算方法与合成系数取值的适用性,给跨海桥梁承台波流力计算提供指导,基于承台波浪力和水流力计算理论,以平潭海峡公铁大桥SR54号桥墩为研究对象,通过物理模型试验,得到承台波流力与波浪力、水流力之和的比值(... 详细信息

为研究跨海桥梁承台波流力计算方法与合成系数取值的适用性,给跨海桥梁承台波流力计算提供指导,基于承台波浪力和水流力计算理论,以平潭海峡公铁大桥SR54号桥墩为研究对象,通过物理模型试验,得到承台波流力与波浪力、水流力之和的比值(合成系数)。试验结果表明:对于桥梁基础承台波流力最大值可简化地取波浪力最大值与水流力最大值之和的1.04(合成系数)倍,在计算时可忽略桥墩和桩基的影响。将该方法应用于港珠澳大桥、平潭海峡公铁大桥以及某输变电工程电塔基础承台结构波流力计算,结果表明采用该方法的波流力计算值与模型试验值符合较好,具有较高的精度,可推广应用于同类跨海桥梁承台波流力计算。

关键词：跨海桥梁桥梁基础承台波流力物理模型试验合成系数计算方法

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围堰下沉过程中的波流力计算方法研究

围堰下沉过程中的波流力计算方法研究

作者：崔栗铭西南交通大学

学位级别：硕士

随着跨海大桥工程日益增多,在复杂海洋条件下的桥梁基础修建中常常使用大直径围堰,如平潭海峡公铁大桥中使用的吊箱钢围堰,沪通长江大桥主航道桥沉井施工等。而海洋环境中,围堰施工往往会经历浮运和下沉过程,在这个过程中,围堰会受到来... 详细信息

随着跨海大桥工程日益增多,在复杂海洋条件下的桥梁基础修建中常常使用大直径围堰,如平潭海峡公铁大桥中使用的吊箱钢围堰,沪通长江大桥主航道桥沉井施工等。而海洋环境中,围堰施工往往会经历浮运和下沉过程,在这个过程中,围堰会受到来自海流的水流力作用,来自波浪的周期性作用,以及海流和波浪联合作用下的波流力作用,而围堰浮运下沉过程的安全性和稳定性直接决定于前期对围堰受力的准确预估,因此本文主要目的为得到围堰下沉过程中,在纯波、纯流以及波流联合作用下的受力计算方法。本文在线性波浪理论范围内,基于莫里森方程和线性波流理论,得到围堰水流力、波浪力和波流力的计算公式,但由于理论公式中的水动力系数C、C为经验参数,因此本文通过纯流、纯波以及波流工况对围堰的水动力系数的变化规律进行了研究。首先,本文以部分实际工程中的围堰尺寸和波流参数拟定缩尺之后的实验工况参数,并将实验中无结构物时的波流参数与线性波流理论值进行了对比验证,证明了实验所造波浪和波流符合线性波浪和线性波流的条件;然后介绍了本文数值水槽的建立方法,通过考察水槽的液面变化,消波段的消波情况,以及在不同水槽位置处沿水深方向的速度分布情况,验证了本文所建数值水槽能够较好地模拟波流联合作用。然后本文对AR=1/3,U=0.2.5m/s纯流工况下的液面变化和围堰受力进行了频谱分析,得到了液面平均高度和液面波动幅度随长细比AR和流速U的变化规律,以及围堰受力均值和受力波动幅值随长细比AR和流速U的变化规律。再对受力数据进行无量纲化处理,得到阻力系数C随雷诺数Re和长细比AR的变化规律:1.阻力系数较无限长圆柱的阻力系数有明显的减小,在较小长细比AR=1/3,2/3的工况中,阻力系数0.5力系数保持在一个比较稳定的区间内,不随雷诺数的变化而产生大的改变;当AR≥1时,阻力系数随着雷诺数的增加产生明显的下降趋势。2.阻力系数C随长细比的变化关系总体均为随长细比的增大而逐渐增加,在Re=4.6×10,9.2×10,11.5×10中,AR=1/3的C值大于AR=2/3时的值,当Re=6.9×10,9.2×10,11.5×10时,在AR=1时C值均出现一个突增,AR=1时的C值大于AR=4/3时的C值,与AR=5/3时的C值较为接近。对于纯波工况下的波面变化和围堰受力,本文分析了同一个波浪工况下,波面随长细比的变化规律以及水平波浪力和竖向波浪力随长细比的变化规律。然后对水平波浪力数据进行了无量纲化处理,得到阻力系数C和惯性力系数C随雷诺数Re,KC数和长细比AR的变化规律:1.波浪波高H与结构物尺度D之间的比例H/D≤1,因此波浪的粘性效应较弱,速度力在波浪力中的比例最大占比18.92%,最小仅为3.32%,阻力系数C力系数C的变化范围为1.4,比通长圆柱的惯性力系数有所减小,惯性力系数随雷诺数的变化规律为:在3×10≤Re≤4×10的范围内,惯性力系数随雷诺数变化不大;当β=4.5×10时,惯性力系数随KC数的变化关系为:C随KC数增加而增加;围堰惯性力系数随长细比的变化规律为:C随AR的增加而增加,并在AR=2时围堰惯性力系数接近通长圆柱的惯性力系数。最后本文对波流工况下的围堰水平受力进行了分析,得到了不同流速下,水平波流力随波高和波浪周期的变化规律,以及不同波高和不同波浪周期下,水平波流力随流速的变化规律。并将波流力无量纲化处理,得到阻力系数C和惯性力系数C随雷诺数Re,KC数和长细比AR的变化规律:1.围堰在波流联合作用下的阻力系数C均比通长圆柱的C小。围堰阻力系数C随雷诺数Re的变化规律在不同KC数下表现不同特征,当KC≤4.8时,C随Re的增加基本不变,当KC≥6.4时,C随Re的增加而增加,C的变化范围为0.45≤C≤1.03;C随KC数的变化规律在不同雷诺数下也表现出不同的变化规律,当Re≤1×10时,C随KC数的增加而减小,当Re≥1.2×10时,C随KC数的增加在一常值附近波动,C的变化范围为0.45≤C≤1.17。C值随长细比AR的变化规律为:当KC数和雷诺数Re较小时,C随AR的增大逐渐增大并趋近于通长圆柱的C值,当KC数和雷诺数Re增大到一定程度时,C随AR的增大整体呈增加的趋势,并趋近于通长圆柱的C值,但在AR=1时会出现突增,这与纯流工况中C值随AR的变化规律相同。2.围堰在波流联合作用下的惯性力系数C均比通长圆柱的C小。惯性力系数C随雷诺数Re的变化关系为:当KC数较小时,AR较大的惯性力系数C随雷诺数Re的增加基本不变,AR较小的惯性力系数C随雷诺数Re的增加而减小,随着KC数的增大,不同AR下的惯性力系数C均随雷诺数Re的增加而减小;惯性力系数C随KC数的变化关系为:当Re较小时,C随KC数的增加基本不变,当Re逐渐增加时,此时T=1s时的C值相对于其他波浪周期下的C值出现较

关键词：围堰波流力莫里森方程模型试验数值水槽