箱形梁上部结构受到垂直波浪冲击力的演变规律：一项实验研究

《Ocean Engineering》：Evolutionary patterns of vertical wave-impact forces on the superstructure of box girders: An experimental study

本研究通过1:25比例箱梁水动力学实验，分析波浪作用下的垂直波浪力演化模式，提出两个无量纲参数分类模式，并探讨波浪高度与周期的影响，为近海桥梁设计提供依据。

　　沿海桥梁的结构安全受到复杂海况的影响，尤其是波浪冲击作用。在这些桥梁的上部结构中，箱型梁是一种常见的配置形式。波浪冲击不仅可能导致结构的损坏，还可能引发更严重的破坏，如上部结构的脱落、位移或辅助结构的损坏。因此，深入研究波浪对箱型梁桥梁的作用机制，对于提升桥梁的抗灾能力具有重要意义。

本研究通过开展比例为1:25的水动力实验，对单箱箱型梁在不同波浪条件下的波浪力特性进行系统分析。实验旨在揭示波浪力的演变规律及其作用机制。通过使用粒子图像测速技术（PIV）和气泡图像测速技术（BIV），研究人员能够更准确地捕捉波浪与结构之间的相互作用过程。PIV技术主要用于测量流体的流动特性，而BIV技术则通过气泡作为自然示踪粒子，有效解决波浪与结构相互作用过程中气泡干扰对测量精度的影响。这两种技术的结合使得研究人员能够在波浪冲击区域和非冲击区域分别进行测量，从而更全面地分析波浪力的生成机制。

实验中，研究人员对波浪力的时间历程进行了分类，共识别出五种不同的演变模式。这些模式反映了波浪力在不同波高和波周期条件下的变化特征。此外，研究还提出两个无量纲参数，用于识别和区分波浪冲击在箱型梁上的作用模式。这两个参数综合考虑了波浪特性和结构尺寸，为理解波浪力的产生原因及其对桥梁结构的影响提供了新的视角。通过引入这些参数，研究人员能够更系统地分析波浪力的变化趋势，并进一步探讨波浪参数对波浪力的影响。

波浪力的演变模式不仅与波浪本身的特性有关，还受到桥梁结构相对水位高度的影响。根据桥梁的相对水位，可以将其分为三种主要状态：抬高、部分淹没和完全淹没。在抬高状态下，桥梁与波浪之间存在复杂的非线性现象，如波浪破碎、空气滞留和压力释放。这些现象对波浪力的分布和作用方式具有重要影响。空气滞留可以增加总的垂直波浪力，同时在一定程度上缓冲冲击力。因此，抬高状态下的桥梁更容易受到波浪力的破坏。而在完全淹没状态下，空气滞留和冲击力几乎可以忽略，波浪过顶现象进一步降低了垂直波浪力的影响。部分淹没状态则处于抬高和完全淹没之间，表现出过渡性的特征，因此在研究中具有更高的价值和研究必要性。

不同淹没条件下的波浪力对桥梁的破坏模式也有所不同。研究发现，波浪参数的变化会导致波浪力的不同组成部分产生不同的作用效果。例如，波高和波周期的增加会显著提升波浪力的峰值，而淹没条件的不同则会影响波浪力的持续时间和分布范围。通过分析这些因素，研究人员能够更准确地预测波浪力对桥梁结构的影响，并为桥梁设计提供科学依据。

此外，波浪力的时间演变特征对于理解桥梁破坏模式至关重要。研究指出，波浪力的不同时间特征会导致桥梁出现不同的破坏形式，如上部结构的位移、脱落或断裂。其中，垂直方向的波浪力是导致桥梁破坏的主要因素，其峰值可以达到水平方向波浪力的4到10倍。因此，对垂直波浪力的研究具有更高的优先级。通过分析波浪力的时间序列，研究人员能够识别出不同波浪条件下波浪力的变化趋势，并进一步探讨其对桥梁结构的潜在影响。

本研究的实验装置位于哈尔滨工业大学风洞与波浪水槽实验室内的波浪-水流水槽中。该水槽的尺寸为44.0米长、0.8米宽、1.0米深。实验中使用了一台计算机控制的伺服电机驱动位于水槽左侧的活塞式波浪发生器，以生成周期性波浪。为了减少波浪在水槽墙壁上的反射，水槽末端安装了一个由多孔材料构成的斜坡海滩。水槽内的水深保持在一定的水平，以确保实验的准确性。实验模型采用了单箱箱型梁结构，其尺寸与实际桥梁结构相匹配，以便于模拟真实条件下的波浪冲击。

在实验过程中，研究人员通过PIV和BIV技术对不同波浪条件下的流场进行测量。PIV技术用于捕捉波浪与结构之间非冲击区域的流体运动特性，而BIV技术则专注于波浪冲击区域的气泡运动情况。这两种技术的结合使得研究人员能够更全面地分析波浪力的生成机制，并揭示其在不同波浪条件下的演变规律。通过这些测量数据，研究人员能够进一步探讨波浪力对桥梁结构的破坏模式，并为桥梁设计提供更可靠的参考依据。

研究结果表明，波浪力的演变模式与波浪参数密切相关。在不同的波高和波周期条件下，波浪力的峰值、持续时间和分布范围都会发生变化。例如，较高的波浪会带来更大的冲击力，而较长的波周期则可能导致波浪力的持续作用时间延长。这些因素共同影响了桥梁的破坏形式，使得在设计桥梁时需要充分考虑波浪参数的变化。此外，研究还发现，波浪力的演变模式与桥梁的淹没状态密切相关。在抬高和部分淹没状态下，波浪力的变化更为复杂，而完全淹没状态下则相对简单。

通过引入两个无量纲参数，研究人员能够更系统地分类波浪力的演变模式，并揭示其背后的作用机制。这些参数不仅能够反映波浪力的峰值特征，还能够体现其随时间变化的趋势。通过分析这些参数，研究人员能够更准确地预测波浪力对桥梁结构的影响，并为桥梁设计提供科学依据。同时，这些参数也为进一步研究波浪力与桥梁结构之间的相互作用提供了新的思路。

研究还探讨了不同波浪参数对波浪力的影响。波浪高度和周期的变化对波浪力的峰值和持续时间具有显著影响。例如，较高的波浪会带来更大的冲击力，而较长的波周期则可能导致波浪力的持续作用时间延长。这些发现为桥梁设计提供了重要的参考依据，使得工程师能够在设计阶段充分考虑波浪参数对结构安全的影响。此外，研究还发现，波浪力的演变模式与桥梁的淹没状态密切相关。在抬高和部分淹没状态下，波浪力的变化更为复杂，而完全淹没状态下则相对简单。

研究结果表明，波浪力的演变模式不仅影响桥梁的破坏形式，还与桥梁的结构设计密切相关。因此，在桥梁设计过程中，必须充分考虑波浪力的特性及其对结构的影响。通过深入研究波浪力的演变规律，研究人员能够为桥梁设计提供更科学的依据，从而提升桥梁的抗灾能力。此外，研究还为桥梁在不同波浪条件下的安全评估提供了新的方法，使得工程师能够更准确地预测桥梁在极端波浪条件下的表现。

在实际工程应用中，波浪力的分析结果可以为桥梁的抗震设计、抗洪设计以及抗浪设计提供重要参考。通过对波浪力的演变模式进行分类，研究人员能够更清晰地识别不同波浪条件下的作用机制，并为桥梁结构的优化设计提供科学支持。此外，无量纲参数的引入使得研究人员能够在不同尺度下进行比较分析，从而提高研究的通用性和可推广性。

综上所述，本研究通过实验和数值分析相结合的方法，深入探讨了波浪对箱型梁桥梁的作用机制。研究结果不仅揭示了波浪力的演变规律，还为桥梁设计提供了新的思路和方法。通过分析波浪力的时间历程和演变模式，研究人员能够更准确地预测波浪对桥梁结构的影响，并为提升桥梁的抗灾能力提供科学依据。未来的研究可以进一步拓展到其他类型的桥梁结构，如T型梁桥或悬索桥，以全面了解波浪对不同桥梁形式的影响。同时，还可以结合更多的现场观测数据，以验证实验结果的适用性和可靠性。