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高桩承台基础波流荷载数值模拟

楚晨晖 陈少林 张洪翔

楚晨晖,陈少林,张洪翔. 高桩承台基础波流荷载数值模拟[J]. 水利水运工程学报,2023(5):1-12. doi:  10.12170/20220119002
引用本文: 楚晨晖,陈少林,张洪翔. 高桩承台基础波流荷载数值模拟[J]. 水利水运工程学报,2023(5):1-12. doi:  10.12170/20220119002
(CHU Chenhui, CHEN Shaolin, ZHANG Hongxiang. Numerical simulation of wave-current load on high pile cap foundation[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023(5): 1-12. (in Chinese)) doi:  10.12170/20220119002
Citation: (CHU Chenhui, CHEN Shaolin, ZHANG Hongxiang. Numerical simulation of wave-current load on high pile cap foundation[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023(5): 1-12. (in Chinese)) doi:  10.12170/20220119002

高桩承台基础波流荷载数值模拟

doi: 10.12170/20220119002
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51978337)
详细信息
    作者简介:

    楚晨晖(1987—),男,黑龙江齐齐哈尔人,讲师,硕士,主要从事计算流体力学研究。E-mail:chuchenhui@163.com

  • 中图分类号: O352;U443.22

Numerical simulation of wave-current load on high pile cap foundation

  • 摘要: 为研究高桩承台基础在波流作用下的荷载时程特点和压力分布规律,开展某跨海大桥桩-承台复合基础的数值模拟研究。根据Stokes二阶波理论进行数值水池造波,采用雷诺平均应力方程(RANS)求解流体运动方程,计算得出3种淹没系数(0~1)下高桩承台基础的各部分水动力时程及其表面压力分布;应用流体体积函数(VOF)追踪液面形态模拟波浪形态时程。研究结果表明:(1)淹没系数较大时,承台水平力较大且主要来自波流联合作用,尾流区绕射波浪会产生负向水平力和负向浮托力,承台迎波面及顶面后方存在压力波动极值区;(2)随着淹没系数的降低,承台水平力减小,水平力主要以波浪拍击力为主,竖向浮托力、单桩水平力随之增加,尾流区绕射效应降低,承台压力极值波动区缩小直至消失;(3)桩基正向水平力最大值出现在边列最后排桩;负向水平力最大值出现在中列最后排桩。研究所得总力时程和压力分布规律可为优化结构设计提供参考。
  • 图  1  桥墩基础示意(单位:m)

    Figure  1.  Pier foundation (unit: m)

    图  2  计算域尺寸、边界条件及计算网格

    Figure  2.  Calculation domain size and boundary condition computation grid

    图  3  模型测点布置

    Figure  3.  Layout of model measuring points

    图  4  物模缩尺水槽试验

    Figure  4.  Flume experiment process

    图  5  Cs=1.00工况下采用不同网格方案的计算值与试验值对比

    Figure  5.  Comparison of calculation results and test results of different schemes (Cs=1.00)

    图  6  Cs=0.55工况下采用网格方案5计算数据与试验值的对比

    Figure  6.  Comparison between calculation results of grid scheme 5 and test results (Cs=0.55)

    图  7  不同工况下承台水平力时程

    Figure  7.  Horizontal force time history of bearing platform under different working conditions

    图  8  不同工况下承台浮托力时程

    Figure  8.  Buoyancy time history of bearing platform under different working conditions

    图  9  不同工况下群桩总水平力时程

    Figure  9.  Total horizontal force time history of pile group under different working conditions

    图  10  群桩总力正向(负向)最大时各单桩贡献系数

    Figure  10.  Contribution coefficient of each single pile when the positive force (negative force) is maximum

    图  11  $ {C_{\text{s}}} $=1.00,波浪形态时间历程(单位: m)

    Figure  11.  Time history of wave form ($ {C_{\text{s}}} $=1.00) (unit: m)

    图  13  $ {C_{\text{s}}} $=0,波浪形态时间历程(单位: m)

    Figure  13.  Time history of wave form ($ {C_{\text{s}}} $=0) (unit: m)

    图  12  $ {C_{\text{s}}} $=0.55,波浪形态时间历程(单位: m)

    Figure  12.  Time history of wave form ($ {C_{\text{s}}} $=0.55) (unit: m)

    图  14  平均压力系数分布

    Figure  14.  Distribution of average pressure coefficient

    图  15  脉动压力系数分布

    Figure  15.  Distribution of fluctuating pressure coefficient

    表  1  波浪要素及计算工况

    Table  1.   Wave elements and working conditions

    淹没系数静水深度/m波高/m周期/s波长/m静水流速/(m·s−1
    Cs=1.0022.306.98.3963.64
    Cs=0.5518.93
    Cs=014.80
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    表  2  不同网格方案参数

    Table  2.   Parameters of different grid schemes

    最大网格尺寸/m单元数/个
    计算域范围Z/Y向网格X向网格承台-桩表面网格
    网格方案1464172 785
    网格方案2262297 177
    网格方案3261346 513
    网格方案4130.51 015 335
    网格方案5130.252 005 582
    网格方案60.510.15 402 545
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    表  3  $ {C_{\text{s}}} $=1.00计算结果对比

    Table  3.   Comparison of calculation results ($ {C_{\text{s}}} $=1.00) 单位:kN

    方案承台水平力承台浮托力桩基最大力单桩最大力
    网格方案17 296.223 154.685 698.01741.48(Z8)
    网格方案27 250.343 472.135 445.38705.38(Z4)
    网格方案36 993.283 766.944 876.31540.78(Z10)
    网格方案47 006.783 685.234 638.88546.02(Z10)
    网格方案57 182.154 206.104 461.20556.40(Z3)
    网格方案67 173.454 216.134 213.40543.23(Z3)
    试验数值6 768.54 616.14 393.7507.4(Z3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-19
  • 网络出版日期:  2023-09-22

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