基于势流理论的淹没状态下跨海桥梁箱梁上部结构波浪力研究

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势流理论模型

本文将所建立的理论模型计算结果与Zhang等人在1：30缩尺比的箱梁波浪力试验中所测得的箱梁波浪力进行对比，以进一步验证本文所建立的淹没箱梁结构波浪力理论模型的有效性。由于试验测试了不同波高条件，而理论模型计算结果与波高呈线性相关，因此对理论计算和试验结果进行无量纲处理。同一次试验中采集了多个周期循环对应的波浪力，不同周期循环次数对应的波浪力存在波动，因此将其中的多个峰值波浪力结果结果同时进行展示（如图2）。

图2 波浪力峰值理论计算结果与试验结果对比图

经比较发现，箱梁结构所受到的无量纲化正向和负向竖向力理论计算结果整体与试验结果变化趋势相同且数值接近，其绝对值随着k0Bt的增大均呈减小趋势。而无量纲化的水平力理论计算结果整体小于试验测试结果，试验结果随着k0Bt的变化幅度相对较大。相对而言，负向水平力峰值与理论结果更为契合。通过试验现象和理论方法对以上规律进行分析，由于试验中淹没状态下的波峰作用于箱梁时，部分水体超过箱梁顶部，从上方作用于箱梁结构，导致了正向竖向力峰值降低，而理论计算过程中，箱梁所受竖向力的积分范围为箱梁结构的下方边界，因此高估了竖向力。整体而言，该势流理论模型的竖向力计算结果与试验结果大致吻合，说明该方法可以用于快速估算淹没状态下箱梁结构所受到的波浪力。

箱梁结构的波浪力不仅受到波浪参数和淹没深度的影响，而且与箱梁的结构尺寸密切相关，为研究箱梁结构尺寸对于箱梁所受波浪力的特点，本文采用势流理论方法进行波浪力计算，分别考虑相对腹板宽度L^* = B_b/B_t，相对翼缘厚度W^* = h_t/h_b，相对箱梁高度D^* = h_b/d，以及相对翼缘宽度Z^*= B_t/d。计算选取波周期考虑试验中的主要周期范围。该四类无量纲量基本包括了与箱梁结构尺寸相关的主要参数，且参数取值基本覆盖了箱梁结构尺寸可能的变化范围。将势流理论方法计算得到的波浪力竖向分力和水平分力分别按照ρgBA和ρgh_bA进行无量纲化，即可得到箱梁结构尺寸参数影响下的无量纲波浪力峰值变化规律，如下图3所示。

图3 相对腹板宽度对淹没状态下箱梁波浪力峰值的影响规律

不同的相对腹板宽度L^*工况，其无量纲竖向力和水平力的随波数k₀的变化趋势基本一致。当其他条件不变的情况下L^*增大时，即增加箱梁腹板的宽度，会引起竖向力缓慢减小。总体而言，相对腹板宽度L^*和相对翼缘厚度W^*两类无量纲箱梁结构尺寸参数的影响规律相近，其数值增长导致了箱梁无量纲竖向力的降低，以及无量纲水平力的增长。相对箱梁高度D^*引起了箱梁无量纲竖向力变化与前两者类似，但无量纲水平力的变化规律存在较大差异，在k₀B_t较小和较大时的变化规律相反。在常见的周期范围内，该三类参数的增加主要导致结构无量纲竖向波浪力的降低，和无量纲水平波浪力的增加。相对翼缘宽度Z^*引起了箱梁无量纲竖向力变化与前三者相反，无量纲水平力的变化规律也存在较大不同。由此可见，在进行极端波浪力作用的安全设计时，需要综合考虑各结构尺寸参数的影响，进行计算分析，而不是简单的调整某一项尺寸参数。