大型桥梁沉井下沉过程中的水流力数值模拟

跨江桥梁大型沉井在下沉定位过程中会受到复杂的水流力作用。采用雷诺时均Navier-Stokes方程(RANS)和RNG k-ε湍流模型,考虑开挖基坑的影响,在计算流体动力学(CFD)软件中建立某桥梁大型沉井在不同入水深度时的三维足尺数值模型,计算不同流速、不同入水深度时沉井周围及内部流场特性、湍流特征和沉井动水压强,分析沉井受到的水流力随入水深度的变化规律。研究表明:开挖基坑会增大边界层高度,同时降低断面平均流速;在沉井定位下沉过程中,水流最大流速位于沉井4个角点处;沉井外围近壁面底部和基坑表面形状变化处水流湍流强度较大;沉井会受到非均匀分布的动水压强,最大值出现在4个角点处,且动水压强随着沉井入水深度增加而增大;CFD数值计算得到的水流力随入水深度增加先增大后减小。

波浪入射角度对圆端形桥墩模型水槽试验阻塞效应影响

模型水槽试验是开展桥梁墩柱结构波浪作用研究的常用手段之一,当桥墩模型尺寸较大时,阻塞效应对桥墩模型波浪作用的影响不可忽略。桥墩常用的圆端形截面非中心对称,其波浪荷载受波浪入射角度影响大,但波浪入射角度对模型试验阻塞效应的影响尚未完全清楚。因此,开展了不同尺度、不同波浪入射角度下圆端形桥墩波浪荷载水槽试验,分析了波浪入射角度对阻塞效应的影响;建立了基于雷诺时均(RANS)方程和k-ε湍流模型的三维数值波浪水槽,采用质量源造波,揭示了不同阻塞比下波浪力的变化规律,探明了不同波浪入射角度下的临界阻塞比;考虑不同波浪入射角度的影响,提出了阻塞效应影响下的圆端形桥墩模型波浪力修正方法,并结合数值模拟验证了方法的合理性。研究结果表明:①阻塞效应会增大圆端形桥墩受到的正向波浪力;②波浪入射角度会对圆端形桥墩的阻塞效应产生影响,从而导致不同波浪入射角度下的临界阻塞比不同,但临界水槽宽度为6倍桥墩阻水宽度时便可有效避免阻塞效应的产生;③以正向波浪力峰值为研究对象求得了修正系数,并提出了圆端形桥墩在任意波浪入射角度下受阻塞效应影响的波浪力修正公式,且修正效果较好。相关研究成果对跨海桥梁波浪作用水槽试验、波浪荷载计算等具有参考价值。