孤立波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性

近海流线型箱梁主梁距水面较低时,气动特性极易受到极端波浪边界的干扰.为研究极端波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性,以孤立波浪模拟极端波浪,基于FLUENT软件,采用铺层网格技术建立了模拟运动孤立波浪边界干扰下流线型箱梁气动特性的数值模型;利用所建立并验证的数值模型研究了不同参数下运动孤立波浪边界对流线型箱梁气动特性(静气动力系数、涡量场以及平均压力系数和脉动压力系数分布)的干扰.分析结果表明:不同孤立波浪边界运动速度干扰下流线型箱梁气动特性明显区别于无波浪工况;随波浪边界运动,迎风角处剪切层方向相比于梁底转折角处(8°风攻角)及梁顶转折角处(-8°风攻角)剪切层方向变化明显;在运动孤立波浪边界干扰下,箱梁抖振响应会随风攻角幅值增大呈增大趋势.

哑铃型跨海桥梁围堰不规则波浪力试验研究

在跨海桥梁施工过程中,波浪力是作用在跨海桥梁施工期围堰的主要控制荷载,准确预测围堰波浪力将直接决定其施工安全。实际海浪是长短、高低不一的不规则波浪,对跨海桥梁围堰的波浪力也呈随机性变化。基于物理模型试验,系统测试不同结构吃水深度、有效波周期、有效波高及波浪入射角对哑铃型围堰不规则顺波向波浪力、横波向波浪力及垂向波浪力的影响,并与“单一最大波法”的规则波浪力进行对比。研究结果表明:与《港口与航道水文规范》中按H1%和平均周期的“单一最大波法”获得的规则波浪力相比,不规则波浪力普遍偏大,尤其波浪斜向入射时横波向不规则波浪力更不利。从波浪力功率谱图分析发现,随着入射角增加,顺波向波浪力高频成分的贡献增大,而垂向波浪力谱变化很小,二者谱峰频率均和入射波谱峰频率保持一致。

基于LES的跨海桥梁施工期围堰波流力数值模拟

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.

斜向波流与大尺度矩形承台相互作用的数值模拟

为研究斜向波流作用下承台结构受力特点,建立三维波流与结构物相互作用的数学模型,计算分析斜向波流入射角度θ(即波流入射方向与横桥向夹角)对大尺度矩形承台波流力的影响。分析结果表明:入射角度θ对承台顺桥向波流力的影响系数与sinθ成正比,对横桥向波流力的影响系数与cosθ二次相关,对总波流力影响系数与sinθ二次相关,该影响规律可用于承台斜向波流力的快速估算。与纯波情况相比,波流共同作用增大了流体质点的惯性力,使得承台波流力均明显大于纯波力,入射角θ对纯波力或波流力的影响规律极为接近,设计时可按一致考虑。为避免低估或高估承台波流力,设计时应考虑实际波流入射角度的影响。

分体式三箱主梁气动特性数值模拟

为研究分体式三箱主梁气动特性,基于某公铁两用斜拉悬索协作体系桥梁分体式三箱主梁,采用FLUENT软件开展了不同槽高比(G/D)、不同风攻角下分体式三箱主梁气动特性二维数值模拟。所述主梁气动特性主要包括气动力系数、涡量场、平均压力系数以及压力系数标准差分布。数值模拟结果表明:在研究参数范围内,不同风攻角下,阻力系数总体随槽高比增大而增大,升力系数和力矩系数未随槽高比单调变化,且力矩系数对槽高比变化更敏感。各槽高比下升力系数随风攻角变化斜率均为正值,这表明该分体式三箱主梁颤振性能良好;0°风攻角下,G/D=0时,仅在箱梁尾流区存在周期性漩涡脱落。G/D=1.61时,0°风攻角下箱梁开槽处及中间箱体和下游箱体表面漩涡脱落显著,相较于0°风攻角,±10°风攻角下中间箱体与下游箱体开槽处及下游箱体表面漩涡脱落减弱;主梁开槽使得中间箱体上表面负的平均压力系数幅值增大,并导致箱梁表面压力系数标准差增大。G/D=1.61时,相较于0°风攻角,±10°风攻角下箱梁表面压力脉动减弱,尤其下游箱体表面压力系数标准差显著减小;该分体式三箱主梁临界槽高比为G/D=2.08。

海啸作用下跨海桥梁上部结构流-固耦合数值研究

海啸是威胁跨海桥梁安全的主要灾害之一,深入研究海啸与桥梁上部结构耦合作用过程,明确桥梁上部结构波浪力以及桥梁支座受力状态对跨海桥梁安全具有重要意义。该文采用开源软件OpenFOAM建立二维数值水槽,以溃坝波模拟海啸,通过求解RANS方程来获取流体运动,并采用k-ε湍流模型解决RANS方程的封闭性问题,以弹簧-质量-阻尼体系模拟桥梁上部结构运动体系,通过流体与质量-弹簧-阻尼体系间实时数据传递,模拟海啸与桥梁上部结构之间的耦合效应。并利用溃坝波解析解及已有的试验数据验证了数值模型的可靠性。在此基础上,通过对比在水平方向采用刚性约束或不同刚度的弹性约束时上部结构的波浪力,研究了流-固耦合效应以及约束刚度对桥梁上部结构波浪力的影响,同时分析了在海啸作用过程中桥梁各支座的受力状态。结果表明:该文建立的数值模型能够准确地模拟海啸波浪与结构耦合作用过程;考虑流固耦合效应后,上部结构受到的最大波浪力明显减小,水平力最大值减小16.8%~21.0%,竖向力最大值减小15.5%~19.5%;相比于上部结构水平波浪力,支座承受的水平力波动更明显且其最大值达到上部结构水平力的1.25倍;迎浪侧支座在不同时刻存在拉和压两种不同工作状态,其最大拉力达到上部结构竖向波浪力最大值的90%以上;背浪侧支座仅承受压力,其最大压力约为迎浪侧支座最大压力的1.11倍~1.55倍。