卷破波冲击新型桩板桥梁结构水动力特性试验研究

徐 普, 张晟宇, 郑中凯, 刘秋江, 邱俊峰

(1.福州大学 土木工程学院,福州 350116; 2.福建省交通规划设计院有限公司 近海公路建设与养护新材料技术应用交通运输行业研发中心,福州 350004)

近海桥梁是沿海地区经济圈快速交通网络的重要组成部分,常受到波浪的冲击作用。波浪从外海向桥梁结构所处近海环境传播过程中,水深变浅,波高增加,波陡增加,波浪能量在波峰附近聚焦,当波峰处水质点运动速度大于波浪传播速度时,波浪发生卷曲破碎[1],卷破波在传播演化过程中波形将发展为不同的形态[2]。一个发展完全的卷破波对结构的冲击荷载相较相同波高规则波显著提高,会对近海桥梁结构产生严重的威胁[3]。

近年来国内外学者对波浪冲击结构物开展了广泛的研究,高俊亮等[4]利用OpenFOAM软件研究了孤立波作用于水平板的水动力特性,分析了相对净空与水平板宽度对波浪力、透射系数和反射系数的影响;谷音等[5]开展了海啸波冲击近海桥梁结构的波浪力试验研究,分析了波速和淹没系数对波浪力的影响;康啊真等[6]开展了聚焦波浪冲击哑铃型桥梁围堰试验研究,分析了围堰吃水深度、最大波幅、入射角度对测点波面位移及波浪力的影响;魏凯等[7]利用Flow-3D软件模拟破碎波冲击桥墩,分析了不同入射波高和周期下的破碎波浪特性;Hong等[8-9]基于水槽模型试验研究了破碎波对透空式箱型板的作用力,试验结果表明透空式结构受力与净空高度密切相关;Zhu等[10]在波浪水槽中对单桩所受破碎规则波浪力和破碎不规则波浪力进行了试验研究,结果表明最大冲击波压力的分布受水深和底坡度的影响;Wienke等[11-12]通过建立波浪水槽试验模型,分别利用移动独立柱体和聚焦波的方法模拟了不同阶段的卷破波冲击独立桩体,试验结果表明桩体所受卷破波冲击作用力的大小和波浪破碎阶段密切相关;Hyoungsu等[13-14]通过数值分析了不同破碎阶段的卷破波冲击下透空式面板受到的水平力和竖向力,探究了净空高度的影响性;魏凯等[15]开展了卷破波斜向冲击方型桥墩模型的水槽试验,探明了波浪砰击荷载和砰击角度的关系;Tai等[16]在波浪水槽中进行了卷破波冲击直立圆柱试验,结果表明不同阶段卷破波的冲击力峰值差异明显。目前试验研究主要集中于卷破波冲击独立桩体或圆柱桥墩,而对卷破波冲击桩板整体桥梁断面结构水动力特性研究较少。

本文针对福建省滨海国道涉海浅滩段设计的新型桩板桥梁结构,通过波浪水槽开展卷破波冲击新型桩板桥梁结构断面水动力特性试验研究,观测卷破波对新型桩板桥梁结构的冲击过程,并与规则波冲击作用进行对比。根据波浪爬高和所受波浪力的实测值分析桥梁结构最不利破碎波形,并进一步揭示入射波高、波浪周期、水深对波浪爬高和新型桩板桥梁结构所受水平和竖向波浪力的影响规律。

1 试验布置

1.1 试验装置

试验在福州大学土木工程学院水利馆试验大厅的波浪水槽内进行,水槽总长55.0 m,宽1.0 m,高1.5 m。如图1所示,水槽首尾为钢筋混凝土结构,中间槽身边壁为玻璃材质,底面为坡度为0°的整浇混凝土面。水槽主体包括:水槽槽体、造波装置和消浪栅格三个部分,模型试验在中间试验段进行。如图2所示,在波浪破碎区域布设高帧率摄像机,捕捉波浪破碎过程,并通过逐帧分析,确认并记录下不同阶段卷破波出现的位置;在模型侧面、盖梁的迎浪面处和模型远端分别布设浪高仪①～③,浪高仪①测量冲击后的波浪爬高,浪高仪②测量冲击前的行进爬高,浪高仪③测量入射波高;三分力传感器两端与钢架通过螺栓连接,其采集频率为2 048 Hz、综合精度为1%、量程为Fx=Fy=Fz=1.0 kN,用于测量桥梁结构受到的水平和竖向波浪力;桩板桥梁结构上部固定在钢架上,下部的桩与水槽底部紧密接触;钢架上部固定在水槽顶面支架上,两侧通过四根单杠限制位移,形成一个整体模型结构。

图1 试验装置布置图Fig.1 Layout of the test device

(a)

(b)图2 模型仪器安装示意图Fig.2 Schematic diagram of model instrument installation

1.2 试验模型

此次试验研究模型来源于福建省G228 国道公路工程(涉海段),由于标高受限又无法采用填土路基方案,拟设计无支座的桩板结构桥梁。如图3所示,桥梁结构由盖梁、梁板和桩柱一体化桥墩组成,拟采用三墩一排的形式,即远岸侧为1号桥墩、中间为2号桥墩、近岸侧为3号桥墩,桥墩为圆柱形,横向和纵向间距分别为4.50 m和10.00 m,海床以上部分墩长为4.74 m,墩径为0.80 m;盖梁宽度为11.75 m,厚度为0.80 m;面板宽度为11.75 m,厚度为0.70 m;挡浪墙高度为1.50 m,厚度为0.50 m。工程段落所处海床平台朝远岸侧方向为坡度为1/15的斜坡,在重现期100年高水位下,海床平台处最大水深为3.24 m,坡脚处水深为6.74 m,平均波周期为13.81 s,波浪经爬坡破碎最大波高为2.84 m,波面高度达1.98 m。

图3 桥梁结构三维断面示意图Fig.3 Schematic diagram of three dimensional section of bridge structure

为降低比尺效应,考虑桩板桥梁与波浪水槽尺寸,选择模型缩尺比为λ=1/15,符合波浪模型试验规程模型长度缩尺比应大于1/60的要求。采用量纲分析法,结合实际试验环境,按照几何、运动和动力相似原则进行缩尺比换算,得到实际模型尺寸为:墩直径5.5 cm、高31.6 cm、横跨30.0 cm、纵跨66.6 cm,盖梁长78.3 cm、宽9.3 cm、高5.3 cm,面板长84.0 cm、宽78.3 cm、高4.6 cm,挡墙长84.0 cm、宽1.4 cm、高10.0 cm。为固定面板、盖梁和桥墩形成整体结构,采用小直径螺丝连接,试验中波浪力有略微影响,但对幅值及整体影响很小,基本可以忽略。为模拟试验生成卷破波,水槽底部设置斜坡海床平台,长360.0 cm、高23.3 cm,斜坡段长350.0 cm、高23.3 cm。

1.3 试验工况

根据工程实际海洋环境条件,重现期100年高水位时,海床平台上水深为3.24 m,破碎波高为2.84 m,平均波周期为13.81 s,根据波浪参数的缩尺比λH=1/15、λd=1/15和λT=1/150.5得出各项试验参数。如表1所示,基于控制变量法设置12组水深d、波高H、周期T的组合工况,并通过预实验得到其工况下各阶段卷破波前锋面位置。如图4所示,将卷破波根据波舌与静水面相应的位置分为三个阶段,破碎前阶段时波浪前沿面与水平面垂直,破碎中阶段波舌前倾,破碎后阶段时波舌倾倒至水平面。试验将重点关注卷破波对桥梁面板、盖梁与桩基整体结构的冲击作用,忽略边壁阻塞效应的影响。

表1 模型试验工况及其工况下三个阶段卷破波前锋面位置Tab.1 The model test conditions and wave-front positions of three stages of plunging waves under the test conditions

图4 卷破波的三个阶段示意图Fig.4 Schematic diagram of three stages of plunging waves

1.4 数据处理

水槽造波前,对静水状态下三分力传感器所测的桩板结构浮力进行调零处理,消除浮力的影响,三分力传感器装置采用倒装连接,可消除结构自重的影响。造波稳定后,三分力传感器采集60个周期的波浪力数据,通过FFT-EMD降噪方法处理,2.1节中选取展示幅值最大的3个周期波浪力时程,2.2节为对所有周期的波浪力幅值取平均值。

如图5所示,将原试验数据经过EMD分解为高频数据和低频数据,对高频数据进行FFT阈值降噪处理,将去噪后数据与低频数据、残余信号重新合成。降噪流程中的EMD分解首先需要寻找原始信号X(t)的局部极大值点和极小值点,用样条曲线连接极值点得到极大值、极小值包络线,计算第i次迭代的平均包络线后使用Gk(t)=X(t)进行第一次迭代,从残差信号中减去平均包络线,若Gk(t)不符合IMF标准,则重新开始寻找和计算,若符合,则从原型号中扣除Gk(t),得到残值,重复上述步骤,直到原信号残值只剩单调序列或常值数列,将符合IMF标准的Gk(t)与最后一项残差叠加。对高频信号进行FFT运算,需要将N点序列的时域信号x(n)转化为频域信号X(k)信号,根据线性插值法设置阈值,抑制信号噪声,对降噪后的频域信号进行傅里叶逆变换,得到降噪后的时域信号。

图5 FFT-EMD数据降噪流程图Fig.5 FFT-EMD data noise reduction flowchart

FFT-EMD数据降噪方法通过分解卷破波冲击载荷的短时动态力与准静态力,提取准静态力,可有效消除测量波浪力峰值处的振荡,滤波前后的波浪力对比如图6所示。可以看出,降噪处理后的水平和竖向波浪力曲线更加光滑,并呈周期性波动,更符合实际卷破波冲击作用的波浪力。

(a) 水平波浪力降噪结果

(b) 竖向波浪力降噪结果图6 FFT-EMD数据降噪效果图Fig.6 FFT-EMD data noise reduction effect

2 试验结果分析

2.1 卷破波冲击作用历时响应

2.1.1 波浪爬高

图7为规则波和卷破波冲击桥梁结构试验过程,通过预实验得到的三个阶段卷破波前锋面位置,移动桩板桥梁结构模型,分别观测三个阶段卷破波冲击结构的过程,测得各个阶段卷破波冲击桩板桥梁模型的波浪爬高以及瞬时峰值水平和竖向波浪力,并与相同工况下规则波冲击作用进行对比分析。

(a) 规则波

(b) 破碎前阶段卷破波

(c) 破碎中阶段卷破波

(d) 破碎后阶段卷破波图7 规则波和卷破波冲击桥梁结构试验实况图Fig.7 Tests of regular waves and plunging waves impacting the bridge structure

根据工程所处最不利海洋环境条件,选取模型试验工况为波高H=18 cm,波周期T=3.6 s,水深d=45 cm,计算得出卷破波冲击前和冲击后波面高程历时曲线,如图8所示,冲击后波面高程除以冲击前波面高程为波浪爬高放大率。通过图8(d)可以看出,在三个阶段卷破波中,破碎前阶段卷破波冲击后的波面高程最大,爬高最为显著,而破碎后阶段卷破波冲击后的波面高程最小,爬高相对较小,破碎前阶段卷破波波浪爬高放大率显著大于破碎后阶段卷破波。破碎前阶段和破碎中阶段卷破波冲击新型桩板桥梁结构后会出现十分明显的波面爬高现象,破碎前阶段卷破波冲击前波面高程为1.96 m,冲击后波面高程为3.29 m,波浪爬高放大率为168%;破碎中阶段卷破波冲击前波面高程为1.68 m,冲击后波面高程为2.86 m,波浪爬高放大率为170%。从图7(b)和(c)可以看出,该现象是由于破碎前阶段卷破波和破碎中阶段卷破波的前端斜向上冲击桩板桥梁结构,卷破波与盖梁发生砰击后,波浪沿着面板两侧爬升。破碎后阶段卷破波冲击新型桩板桥梁结构后的波浪爬高现象相对更不明显,冲击前波面高程为1.51 m,冲击后波面高程为1.96 m,波浪爬高放大率为130%。从图7(d)可以看出,该现象是由于破碎后阶段卷破波的前端斜向下冲击桩板桥梁结构,卷破波与桥墩发生砰击后,波浪的爬高现象会受到盖梁和面板的阻碍。可以得出卷破波冲击桩板桥梁结构后的波浪爬高现象的显著程度与不同的阶段卷破波的冲击方向倾角还有桩板桥梁与卷破波发生砰击的位置有关。

(a) 破碎前阶段卷破波波面高程

(b) 破碎中阶段卷破波波面高程

(c) 破碎后阶段卷破波波面高程

(d) 三个阶段卷破波波面高程对比图8 卷破波冲击桥梁结构前后的波面高程Fig.8 Wave surface elevations before and after the impact of plunging wave on the bridge structure

2.1.2 波浪力

图9为波高H=18 cm,波周期T=3.6 s,水深d=45 cm工况下三个阶段卷破波冲击作用下新型桩板桥梁结构所受水平和竖向波浪力历时曲线。可以看出,破碎前阶段卷破波的水平波浪力幅值显著大于竖向波浪力幅值,破碎前阶段卷破波水平波浪力幅值可达竖向波浪力幅值的4.48倍,破碎中阶段卷波浪水平波浪力幅值可达竖向波浪力幅值的1.90倍,而破碎后阶段卷破波的水平波浪力幅值和竖向波浪力幅值差异并不明显。从图9(d)可以看出,卷破波的水平波浪力随着波浪的破碎程度不断下降,而竖向波浪力稍有上升。破碎前阶段卷破波水平破坏力最强,其水平波浪力幅值为115.77 kN,可达其他两个阶段卷破波水平波浪力幅值的1.86和2.82倍;破碎后阶段卷破波的竖向波浪力幅值最大,可达43.96 kN,仅为破碎前阶段卷破波水平波浪力幅值的38%。

(a) 破碎前阶段卷破波波浪力

(b) 破碎中阶段卷破波波浪力

(c) 破碎后阶段卷破波波浪力

(d) 三个阶段卷破波波浪力幅值对比图9 卷破波冲击作用下桥梁结构所受波浪力Fig.9 Wave forces on the bridge structure under the impact action of plunging wave

2.1.3 与规则波冲击对比

图10为在波高H=18 cm,波周期T=3.6 s,水深d=45 cm工况下,破碎前阶段卷破波冲击桥梁结构前后的波面高程与规则波对比。可以看出,冲击前破碎前阶段卷破波和规则波的波面高程相差很小,冲击后破碎前阶段卷破波冲击桩板组合式桥梁结构时后爬高现象显著,爬高后的波面高程最大可达规则波爬高后的波面高程的1.99倍。

(a) 冲击前波面高程

(b) 冲击后波面高程图10 规则波和破碎前阶段卷破波冲击桥梁结构前后的波面高程Fig.10 Wave surface elevations before and after impacts of regular and the plunging wave in the stage about breaking on the bridge structure

图11为规则波和破碎前阶段卷破波作用下桥梁结构所受波浪力对比,可以看出,在相同的波浪工况条件下,破碎前阶段卷破波的竖向冲击作用相比规则波作用更小,而水平冲击作用相比规则波更大。破碎前阶段卷破波水平波浪力幅值最大可达规则波水平波浪力幅值的3.08倍,而破碎前阶段卷破波的竖向波浪力幅值比规则波的竖向波浪力幅值低24.3%。可见,破碎前阶段和破碎中阶段卷破波冲击桩板组合式桥梁结构后会出现明显的波面爬高现象,随着卷破波从破碎前阶段演化至破碎后阶段,卷破波的水平波浪力不断下降,竖向波浪力不断上升,破碎前阶段波浪爬高现象最显著,水平破坏力最强,破碎后阶段波浪爬高现象最不明显,水平破坏力最小。

(a) 水平波浪力

(b) 竖向波浪力图11 规则波和破碎前阶段卷破波冲击作用下桥梁结构所受波浪力Fig.11 Wave forces on the bridge structure under the impact of regular wave and plunging wave in the stage about breaking

破碎前阶段和破碎中阶段卷破波主要对盖梁和盖梁与桥墩连接处造成砰击,破碎后阶段卷破波和规则波主要对桥墩上部造成砰击。由于卷破波的破碎过程具有随机性,方型截面盖梁与圆形截面桥墩相比更容易承受到卷破波破碎过程中的强烈砰击,受到更大的波浪力,且梁板与桥墩对卷破波的阻挡效应加剧了连接处水质点的运动,对桥墩上部造成更明显的砰击现象。

2.2 海洋环境参数影响分析

2.2.1 入射波高的影响

选择表1中编号1～4的工况研究入射波高对波浪爬高和波浪力的影响,波面高程变化情况和桥梁结构所受波浪力分别如图12和图13所示。由图12可以看出,随着入射波高从2.63 m增大至2.84 m,规则波冲击前后波面高程变化都不明显,卷破波冲击前波面高程变化不显著,而冲击后波面高程变化显著。规则波冲击前后最大波面高程增幅为8.2%;破碎前阶段卷破波的冲击前波面高程增幅最大,增幅为10%,卷破波冲击后波面高程都会明显增大,破碎中阶段卷破波波面高程会逐渐超过破碎前阶段,增幅最明显的是破碎后阶段卷破波,增幅可达32.8%,说明入射波高的增加对规则波和卷破波冲击前的波面高程的影响程度都不显著,对冲击后卷破波的波面高程影响程度明显大于规则波。

(a) 冲击前波面高程

(b) 冲击后波面高程图12 波面高程随波高变化情况Fig.12 Variation of wave surface elevations with wave heights

(a) 水平波浪力

(b) 竖向波浪力图13 波浪力随波高变化情况Fig.13 Variation of wave forces with wave heights

由图13可以看出,随着入射波高从2.63 m增大至2.84 m,规则波和破碎后阶段卷破波的水平波浪力变化不明显,而竖向波浪力显著增大。规则波的水平波浪力的增幅为14.13%,而竖向波浪力增幅达到97.8%;破碎中阶段卷破波水平波浪力增幅为41.02%,竖向波浪力增幅为60.9%,破碎中阶段的竖向波浪力会逐渐超过破碎前阶段和破碎后阶段,说明入射波高的增加对破碎前阶段和破碎中阶段卷破波水平波浪力影响大于规则波,而对卷破波的竖向波浪力影响小于规则波,三个阶段卷破波中破碎中阶段的波浪力受入射波高影响最显著。

2.2.2 波浪周期的影响

选择表1中编号5～8的工况研究波浪周期对波浪爬高和波浪力的影响,波面高程变化情况和桥梁所受波浪力如图14和图15所示。从图14可以看出,随着波浪周期从13.75 s增大至14.35 s,规则波冲击前后波面高程变化不明显,卷破波冲击前后波面高程变化相对更明显。冲击前后规则波的波面高程增幅最大仅为2.2%;冲击前后波面高程增长幅度最大的都是完成阶段卷破波,增幅分别为9.1%和12.3%,破碎后阶段卷破波冲击前波面高程会超过破碎中阶段,说明波浪周期的增加对卷破波冲击前后的波面高程的影响都大于规则波,对破碎后阶段卷破波冲击前后的波面高程影响最显著。

(a) 冲击前波面高程

(b) 冲击后波面高程图14 波面高程随周期变化情况Fig.14 Variation of wave surface elevations with periods

(a) 水平波浪力

(b) 竖向波浪力图15 波浪力随周期变化情况Fig.15 Variation of wave forces with periods

通过图15可以看出,随着波浪周期的增加,规则波和破碎后阶段卷破波的水平波浪力变化不明显,竖向波浪力都显著增大。规则波的水平和竖向波浪力增幅分别为3.2%和37.4%;破碎中阶段卷破波的水平波浪力增幅可达34.2%,破碎前阶段的竖向波浪力增幅为15.9%,破碎前阶段竖向波浪力会超过破碎中阶段,说明波浪周期的增加对破碎前阶段和破碎中阶段卷破波影响显著大于规则波,对竖向波浪力的影响小于规则波,破碎前阶段卷破波竖向波浪力影响最为显著。

2.2.3 水深的影响

选择表1中编号9-12的工况研究水深对波浪爬高和波浪力的影响,波面高程变化情况和桥梁所受波浪力如图16和图17所示。从图16可以看出,随着水深从6.60 m增大至7.05 m时,冲击前后规则波的波面高程变化并不明显,三个阶段卷破波冲击前后的波面高程增幅显著。规则波冲击前波面高程出现了1.86%的降幅,规则波冲击后波面高程的增幅为12.1%;卷破波冲击前破碎后阶段卷破波的波面高程增大最显著,增幅为23%,冲击后破碎中阶段卷破波的波面高程增幅最大,增幅为29.4%,破碎中阶段卷破波冲击后波面高程会逐渐超过破碎前阶段,说明水深的增加对卷破波冲击前后的波面高程影响显著大于规则波,对破碎中阶段卷破波冲击后的波面高程影响最显著。

(a) 冲击前波面高程

(b) 冲击后波面高程图16 波面高程随水深变化情况Fig.16 Variation of wave surface elevations with water depths

(a) 水平波浪力

(b) 竖向波浪力图17 波浪力随水深变化情况Fig.17 Variation of wave forces with water depths

从图17可以看出,随着水深的增加,规则波和破碎后阶段卷破波的水平波浪力增幅不明显,竖向波浪力都增幅显著。规则波的水平和竖向波浪力增幅分别为18.41%和82.9%,破碎前阶段卷破波的水平波浪力增幅为42.8%,破碎中阶段卷破波竖向波浪力逐渐超过破碎后阶段,增幅为55.6%,说明水深的增加对破碎前阶段和破碎中阶段卷破波的水平波浪力影响大于规则波,对破碎中阶段竖向波浪力的影响最为显著。

3 结 论

本文针对福建省滨海国道涉海浅滩段设计的新型桩板桥梁结构,通过波浪水槽开展1∶15缩尺模型卷破波冲击试验,测量和分析不同海洋环境工况下卷破波冲击新型桩板桥梁结构前后波面高程和波浪力,并与规则波冲击作用进行对比,主要得出以下结论:

(1) 三个阶段卷破波冲击新型桩板桥梁结构后波浪爬高显著不同,破碎前阶段和破碎中阶段卷破波与盖梁发生砰击后会沿着面板两侧爬升,出现明显的波面爬高现象;破碎后阶段卷破波与桥墩发生砰击后受到盖梁和面板的阻挡作用,波面爬高现象不明显。在相同的波浪作用条件下,卷破波的波面爬高现象相较于规则波更显著,爬高现象最显著的破碎前阶段卷破波冲击后的波面高程可达规则波的1.99倍。

(2) 在新型桩板桥梁结构所处重现期100年的最不利工况下,卷破波从破碎前阶段传播演化到破碎后阶段,其水平波浪力不断减小,竖向波浪力不断增大。破碎前阶段卷破波的水平波浪力可达破碎中阶段和破碎后阶段卷破波水平波浪力的1.86倍和2.82倍,在相同的波浪作用条件下,破碎前阶段卷破波的水平波浪力可达规则波的3.08倍。

(3) 波浪特征参数是卷破波冲击桩板桥梁结构水动力特性影响的重要因素,入射波高增加会使破碎中阶段冲击后波面高程和竖向波浪力超过其他破碎阶段卷破波;波浪周期增加会使破碎后阶段卷破波冲击前波面高程和破碎前阶段卷破波竖向波浪力超过破碎中阶段。

(4)水深对卷破波冲击桩板桥梁结构水动力特性影响显著,水深的增加会使破碎中阶段卷破波在冲击桩板桥梁结构后波面高程和竖向波浪力超过其他破碎阶段卷破波,对破碎后阶段卷破波的水平波浪力影响较小。