前排桩对桥墩周围水流及船舶影响研究

摘要

桥梁建设加强了江河两岸沟通和交流，促进了社会经济的发展。然而一些桥墩布置在通航水域中，绕经桥墩水流受边界影响出现局部流态，对船舶正常航行产生不利影响，可能妨碍通航并影响桥梁的安全。对于桥墩周围水流的研究成果已经较为丰富，但是对桥区航行船舶的受力问题还缺乏系统的研究。本文从船舶受力的角度分析探讨桥区航道船舶通航安全问题，提出改善船舶航行条件的措施，对保障桥区附近水域的通航安全及桥梁本身的安全具有重要意义。
　　采用RNG、k-ε紊流模型对通航水域的桥墩单墩以及受前排桩保护桥墩的周围流场进行数值模拟。采用测力天平测量仪以及应变应力采集系统，测量桥墩单墩周围船舶平面受力状况，并进一步测量不同前排桩布置工况下桥桩周围船舶平面受力状况。通过分析，得出主要结论如下:
　　1、前排桩的设置，改善了桥墩局部水流结构和桥墩周围流场。当上游来流遇到前排桩时，水流受桩的引导产生偏离和分流，前排桩的分流作用将水流分向桥墩两侧，减缓水流对桥墩的直接作用，降低了墩前雍水，桥墩两侧水流得到平缓，同时在桩后形成一个低速尾流区域。受桩后尾流减速的影响，墩前行进水流动量减小，桥墩墩前横流相应减小，桥墩周围通航条件得到改善。
　　2、前排桩改善效果通航条件的作用与前排桩的相关因素有关，涉及前排桩数量，前排桩与桥墩间距离等因素有关。在桥桩距相等的工况下，随着桩数增加，桩后尾流减速区域越大，桥墩周围不安全通航区域改善越明显。在桩数一定的工况下，前排桩尾流减速区域效果与桥桩距离有关，桥桩距太小，前排桩对墩前行进流速减缓不够充足;桥桩距太大，前排桩对墩前行进流速减缓效果减弱。
　　3、船体平面受力在船体中心与桥墩中心交会区域附近达到最大，且船体所受横向力在船舶与桥墩交会过程中受力方向会发生两次转变。船舶平面受力的变化与水流流速正相关，船舶的平面受力峰值及分布区域不因水深改变而改变。船舶在桥墩周围时，船舶所受纵向力和横向力峰值随流速增大而增大，且船舶所受横向吸附力的分布区间随着流速增大而向下游发展
　　4、本文以船舶沿水流横向受力变化曲线变化率近似为零边界为桥墩对船舶受力影响边界，桥墩到船舶受力影响边界的距离定义为船舶通航影响宽度。桥墩对船舶通航影响宽度与流速成正相关，即桥墩对船舶受力影响宽度随流速增大而增大。仅本文研究水流条件下，桥墩对船舶受力的影响宽度不超过2.8倍桥墩墩宽。
　　5.船舶在前排桩区域附近时，船舶平面受力出现变化，但是总体变化不大。前排桩本身对船舶受力影响远小于桥墩对船舶受力的影响。前排桩的设置对船舶纵向受力突增和横向吸附力有减小的作用。2倍墩宽桥桩距、三桩数量工况下，前排桩对船舶受力改善效果最佳。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．4 主要工作及技术路线

第二章 前排桩对桥墩周围水流通航条件的影响分析

2．1 水流运动控制方程

2．2 数学模型的建立

2．3 数学模型工况

2．4 数学模型验证

2．5 数值计算结果与分析

2．6 本章小结

第三章 桥墩周围船舶受力物理模型

3．1 物理模型设计

3．2 物理模型试验仪器

3．3 物理模型试验方案

3．4 本章小节

第四章 桥墩周围船舶平面受力影响分析

4．1 不同流速条件下船舶纵向受力试验结果与分析

4．2 不同流速条件下船舶横向受力试验结果与分析

4．3 不同水深条件下船舶受力试验结果与分析

4．4 本章小结

第五章 前排桩对船舶平面受力影响分析

5．1 不同前排桩布置工况下桥桩对船舶纵向受力试验

5．2 不同前排桩布置工况下桥桩对船舶横向受力试验

5．3 不同前排桩布置工况下桥桩对船舶受力影响分析

5．4 本章小结

结论与展望

主要结论

展望

参考文献

致谢

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