黃瓊

摘 要：在橋區(qū)通航安全問(wèn)題中，船舶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況與橋墩周圍紊流特征息息相關(guān)，為了解船-橋間水動(dòng)力對(duì)橋區(qū)通航的干擾作用，本文采用概化水槽模型試驗(yàn)研究船-橋交會(huì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中船橋間距對(duì)船舶受力的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明，船舶行進(jìn)過(guò)程中所受艏搖力矩源于橋墩周圍渦體貼近船體時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)，且船舶所受艏搖力矩的最大值隨船橋間橫向距離的增大而減小;船體受渦體負(fù)壓區(qū)的影響程度與渦體的瞬時(shí)形態(tài)相關(guān)，具有不確定性。

關(guān)鍵詞：船-橋交會(huì);物理模型;水壓力;艏搖力矩

中圖分類號(hào)：U698 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2021）07-0039-03

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城市的發(fā)展，跨河橋梁的數(shù)量及密集程度顯著增長(zhǎng)，橋區(qū)通航安全問(wèn)題日益突出[1]。在船舶的安全通航領(lǐng)域，界定航行船只與橋墩間的富余寬度是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的任務(wù)，當(dāng)下富余寬度通常是依照圍繞橋墩所形成的礙航紊流的界限來(lái)界定[2-3]。影響橋墩周圍紊流特性的因素有許多，如水深[4]、橋墩形態(tài)[4-5]、行近流速等[6-7]，而船舶作為剛體大變形動(dòng)邊界，對(duì)橋墩周圍紊流的作用不容忽視，行船過(guò)程中沒(méi)有將船-橋間水動(dòng)力納入影響因素，可能導(dǎo)致所界定的富余寬度不足，影響航行安全。

為了解船-橋間水動(dòng)力對(duì)橋區(qū)通航的干擾作用，本文采用物理模型試驗(yàn)方法研究船-橋間距對(duì)船舶受力的影響，并分析船舶所受艏搖力矩與水流結(jié)構(gòu)的相關(guān)性及其原理。

1模型設(shè)計(jì)

1.1相似比尺

試驗(yàn)采用鋼化玻璃水槽，斷面為長(zhǎng)方形，水槽總長(zhǎng)度35.00m，凈寬1.60m，凈高0.50m。根據(jù)水槽尺寸與配套給水系統(tǒng)的供水能力，并結(jié)合縮尺效應(yīng)的影響，選取幾何比尺λL=1：50的正態(tài)比尺模型。

1.2船模及橋墩模型

船體受橋墩周圍紊流渦體負(fù)壓區(qū)的影響程度，跟橋墩橫斷面直徑長(zhǎng)度D與船長(zhǎng)LC的比值呈正相關(guān)性，即D/Lc的值越大，船舶行駛過(guò)橋區(qū)的安全隱患越大。本實(shí)驗(yàn)以最不利情況為研究對(duì)象，參照三峽庫(kù)區(qū)運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度表，采用500噸級(jí)普通駁船為實(shí)驗(yàn)原型，500噸級(jí)原型船舶主尺度為45m×10.8m。船模選擇與玻璃水槽一致的正態(tài)模型，幾何比尺λL=1：50，如圖1所示。

1.3船橋交會(huì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

實(shí)驗(yàn)?zāi)M原型中船舶與橋墩交會(huì)的過(guò)程，水流行近流速為2m/s，船舶順?biāo)鞣较蚝叫?，?duì)岸航速為2m/s。試驗(yàn)受到水槽寬度的限制，為了消除水槽邊界對(duì)水流結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的作用，本試驗(yàn)選取隨船運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系（動(dòng)坐標(biāo)系統(tǒng)），水流行進(jìn)流速與船舶的對(duì)岸航速相等，因此試驗(yàn)時(shí)可認(rèn)為船舶與水流無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，水流流速為零，而橋墩以2m/s的速度上行，如圖2所示。

1.4試驗(yàn)手段

本文使用昆山雙橋傳感器測(cè)控有限公司生產(chǎn)的壓力傳感器（CYG505）測(cè)量船體表面點(diǎn)脈動(dòng)壓力的變化。根據(jù)船舶受力的分布特點(diǎn)，在船舶靠近橋墩的一側(cè)布置4處壓力傳感器，測(cè)量船體行進(jìn)過(guò)程中所受的壓力值。傳感器布置位置如圖3所示。

2 試驗(yàn)場(chǎng)次安排

本次實(shí)驗(yàn)水深為10m，可不計(jì)船模所受淺水效應(yīng)的影響，橋墩以2.0m/s恒定速度行進(jìn)，船模順?biāo)鞣较蚝叫校鋵?duì)岸航速與水流流速相等。

在上述條件不變的前提下，采用不同的船橋橫向間距L進(jìn)行試驗(yàn)，采集船舶與橋墩交會(huì)過(guò)程中船體表面所受脈動(dòng)點(diǎn)壓力的數(shù)值，對(duì)船舶駛過(guò)橋墩時(shí)的體表受力過(guò)程進(jìn)行研究，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1，D表示橋墩直徑，1.0D表示1倍的橋墩直徑。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 船體周圍壓力分布演進(jìn)規(guī)律

以表1所示工況1為例分析，圖3所示的四個(gè)測(cè)點(diǎn)移動(dòng)至橋墩中垂線的時(shí)刻分別為t1=3.6s，t2=4.3s，t3=5.0s，t4=6.1s。各測(cè)點(diǎn)的受力變化都有一個(gè)共性，即各測(cè)點(diǎn)的首個(gè)峰值都出現(xiàn)在該測(cè)點(diǎn)與橋墩交會(huì)的時(shí)刻。當(dāng)船體位置移動(dòng)至墩后，墩后水流經(jīng)過(guò)船-橋間隙迅速擴(kuò)散，引起壓力測(cè)值驟降，船橋間負(fù)壓急劇減小至靜水壓力值之下。壓力值的減小程度與橋墩下游渦體的瞬時(shí)形態(tài)有關(guān)，具有一定的隨機(jī)性。隨著船舶繼續(xù)行進(jìn)，船與橋墩之間的距離拉遠(yuǎn)，橋墩后紊流對(duì)船體影響相應(yīng)減弱，船身所受壓力值恢復(fù)到接近靜水壓力且稍小于靜水壓力的狀態(tài)，如圖4所示。

分析可知，船舶與橋墩交會(huì)進(jìn)程中所受艏搖力矩來(lái)自橋墩周圍渦體貼近船體產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū);船首與橋墩交會(huì)時(shí)所受力矩最大，此時(shí)的船-橋間水動(dòng)力最有可能導(dǎo)致船舶出現(xiàn)欠控、甚至失控。

3.2船橋間橫向距離對(duì)船舶受力的影響

橋墩周圍的礙航紊流是船體在經(jīng)過(guò)橋墩時(shí)產(chǎn)生艏搖力矩的重要原因[8-10]。通過(guò)分析船舶與橋墩交會(huì)過(guò)程中，船體表面所受壓力的分布特點(diǎn)，可探究船舶受水流結(jié)構(gòu)影響產(chǎn)生艏搖力矩的機(jī)理。

以測(cè)點(diǎn)1#、2#的壓力測(cè)值為例，分析表1所示四種工況的脈動(dòng)壓強(qiáng)變化規(guī)律。隨著船-橋間橫向距離的改變，船舶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的體表壓力值見(jiàn)圖5和圖6所示。船舶體表所受壓力測(cè)值隨著船-橋間距的減小而逐漸增大，船舶沿程所受壓力峰值在船首到達(dá)橋墩附近時(shí)出現(xiàn)，此時(shí)，船橋間水流的負(fù)壓區(qū)拉力和橋墩兩側(cè)渦體的壓力同時(shí)作用于船體。

船舶行駛過(guò)橋墩后的受力有明顯的波動(dòng)，船體受渦體負(fù)壓區(qū)的影響程度與渦體的瞬時(shí)形態(tài)相關(guān)，具有不確定性，與船體和橋墩尾渦交會(huì)的時(shí)機(jī)有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）船舶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的艏搖力矩來(lái)自橋墩周圍渦體貼近船舶產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)，艏搖力矩的最大值隨船橋間橫向距離的增大而減少。

（2）船首與橋墩交會(huì)時(shí)船舶所受艏搖力矩達(dá)到峰值，此時(shí)的船-橋間水動(dòng)力對(duì)船舶航行影響最大，是船舶航行的最不利時(shí)刻，極易導(dǎo)致船舶出現(xiàn)欠控、甚至失控，行船時(shí)應(yīng)加強(qiáng)警惕。

（3）船體受渦體負(fù)壓區(qū)的影響程度與渦體的瞬時(shí)形態(tài)相關(guān)，具有不確定性，與船體和橋墩尾渦交會(huì)的時(shí)機(jī)有關(guān)。

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