中马友谊大桥主桥墩钢吊箱压力实测数据分析

高宁波，张鸿，张永涛

（中交第二航务工程局有限公司博士后科研工作站，湖北 武汉 430040）

0 引言

随着大型跨海桥梁工程的不断发展，钢吊箱钢护筒技术在跨海桥梁设计施工中得到了广泛的应用。考虑到波浪荷载一般是钢吊箱设计和施工过程中的控制荷载，波浪荷载计算的准确与否，将直接影响钢吊箱的稳定性和可靠性。近年来国内外学者针对钢吊箱围堰结构和大直径圆柱进行了大量的研究。吴加云等[1]基于子空间迭代得到了特大型钢吊箱结构的各阶频率和阵型，并采用特征波法分析了其在按余弦规律变化的波浪荷载作用下的动力响应。祝兵[2]采用虚拟边界法处理结构物边界，讨论了三维波浪作用下大直径圆柱的绕射问题。黄博等[3]研究了三维波浪作用下钢吊箱围堰下放过程中的受力变化规律。周华等[4]针对外海无掩护水域高桩承台采用的有底钢吊箱，分析了钢吊箱施工过程中各种最不利工况下的波浪荷载。康啊真等[5]引入浸没边界法处理不规则结构物界面，研究了波浪作用下不同吃水深度的圆端形钢吊箱围堰波浪荷载。任效忠[6]采用试验和数值方法研究了准椭圆沉箱的波浪力。

针对钢吊箱等大尺度结构物的波浪荷载问题，《海港工程设计手册》[7]推荐采用趸船模型近似估算钢吊箱波浪荷载。该估算模型对于规则形状的钢吊箱，尚能给出满足实际工程要求的近似结果，但是对于各种异形钢吊箱（哑铃形、纺锤形等），则存在很大的误差。本文依托中马友谊大桥项目，通过在钢吊箱外壁面布置36组压力传感器，现场实测波流荷载，指导钢吊箱下放施工作业。

1 项目实测概况

马尔代夫马累-机场岛跨海大桥工程是世界首次在珊瑚礁地层、涌浪环境下修建的跨海大桥[8]，主桥20号墩是通航孔桥墩，其基础形式为摩擦群桩基础，呈7桩梭形分布。主桥墩钢吊箱下放到位后，相对平均海平面吃水为5 m，图1给出了20号主桥墩钢吊箱的尺寸以及6个面的编号顺序。每个壁面布置6组压力传感器，沿水深布置3层，每层2组传感器。整个钢吊箱外壁面上总共布置36组压力传感器，其编号从面1到面6分别为Sensor-1～Sensor-36。考虑到主桥20号墩所处海域2 a一遇高水位为0．55 m，2 a一遇低水位为-0．55 m，因而每个面第1层压力传感器布置高程为0 m，第2层高程为-1 m，第3层高程为-3 m。图2给出了面1上6组压力传感器的布置位置示意图。

图1 主桥20号墩钢吊箱俯视图Fig.1 Top view of the No.20 steel cofferdam

图2 面1上6组压力传感器布置位置示意图Fig.2 Sketch of the location of 6 pressure sensors

2 数据分析与讨论

压力传感器布置到位后，设定采样频率为1 Hz，整个实测工作进行1周，取其中连续的4 d数据进行分析，起止日期为2017-04-21—25。图3给出了面1上1号、3号和5号3个压力传感器测量值时历，由图可知压力的变化呈现周期性。由于1号传感器高程为0 m，当海面处于低潮位，传感器没有浸没到海水中，因而传感器的测量值为大气压值（1．01×105Pa）。

图3 面1上1号、3号和5号3个压力传感器测量值时历Fig.3 Time history of recorded data of Sensor-1,3,5

式中：ρ为海水密度，数值为1．025×103kg/m3；g为重力系数，数值为9．81 N/kg；Ptotal为压力传感器测量值；Pair为大气压强，数值为1．01×105Pa。进而求得1号、3号和5号压力传感器布放的静水深度分别为 h1=0 m、h3=-1．09 m 和 h5=-3．01 m，这与图2中压力传感器布放位置基本吻合，说明实测中传感器安装位置精确可靠。

采用快速傅里叶变换处理实测数据，图4给出了面1上1号、3号和5号3个压力传感器所测压强时历的幅值谱。由图可知f=0 Hz时，3个传感器上对应的幅值分别为 0．101 MPa、0．112 MPa和0．131 7 MPa，根据前面对于压力传感器测量结果组成的分析，该值是大气压强和静水压强之和，进而可以由式（1）求得压力传感器布放的静水深度h：

图4 面1上1号、3号和5号3个压力传感器测量结果的幅值谱Fig.4 Amplitude spectrums of recorded data of Sensor-1,3,5

图4中，3个压力传感器的幅值谱中均在f=2．21×10-5Hz位置处出现一个小的峰值，该圆频率对应的周期 T=2π/f约为 4．5×104s，约为 12．5 h。其对应的压强是由当地显著的“半日潮”引起，并且可以发现1号压力传感器潮流压强峰值约为1×10-3MPa，而3号和5号压力传感器潮流压强峰值约为2×10-3MPa，这是因为1号压力传感器在静水面处，只有在高潮位时，1号压力传感器才浸没在海水中，考虑到潮流为“半日潮”，因而其潮流压强峰值是3号和5号压力传感器的一半，这表明在钢吊箱吃水深度范围内，由“半日潮”引起的流速沿钢吊箱吃水深度范围内均匀分布。

采用低通滤波方法将测量数据进行高低频分离。图3给出了面1上1号、3号和5号压力传感器低通滤波结果与原始测量值的对比，根据分析原始测量数据与低通滤波后的数据之间的差值即为由波浪引起的高频压强成分（见图5）。

图5 面1上1号、3号和5号3个压力传感器波浪压强Fig.5 Wave pressure in Sensor-1,3,5

本文中钢吊箱外壁面共布置36个压力传感器，考虑到波浪主要作用范围为自由面附近，因而在每个面上压力传感器非均匀布置（见图2）。钢吊箱外壁面与x轴之间的夹角可通过钢吊箱的几何尺寸确定（见图1）。对钢吊箱6个面上36个压力传感器进行矢量求和：

式中：pi（t）为每个传感器上的波浪压强；Si为钢吊箱壁面法向，指向钢吊箱内部。每个压力传感器所对应的面积如图2所示。

图6给出了钢吊箱受到的x向（横桥向）和y向（顺桥向）的波浪力，由图可知x向（横桥向）波浪力大于y向（顺桥向）波浪力，这与本海域波浪主浪向偏东南方向（SSE）相符。钢吊箱受到的波浪合力最大值约为180 t（对应的横坐标约为0．3，即最大波浪力发生在4月21日）。

图6 钢吊箱受到的x向（横桥向）和y向（顺桥向）波浪力Fig.6 Wave forces on steel cofferdam in x and y directions

在进行海洋环境荷载现场实测的同时，还实时监测了同一时间段内主桥20号墩位处的海洋波浪统计特征。测量仪器布置在主桥20号墩位外侧海底，通过线缆每隔0．5 h传输1次数据，得到该海域波浪统计值。表1给出了主桥20号墩位海域在2017-04-21—25每天的波浪统计特征平均值，由表1可知，波高最大值出现在04-21，这与图6中测得的钢吊箱波浪合力最大值出现的日期吻合。

表1 主桥20号墩位处波浪条件Table 1 Wave conditions in No.20 pier

《海港工程设计手册》[7]中对于钢吊箱这种大尺度结构推荐采用趸船模型计算其波浪荷载（见图7），计算时先计算趸船在吃水深度T范围内的局部反射波高：

式中：Kr为局部反射系数。

式中：L为波长；d为水深；η为原始波峰在静水面以上的高度。

图7 波浪对趸船的作用示意图Fig.7 Sketch of wave impact on barge

式中：h0为原始波浪中心线对静水面的超高值，其表达式如下：

干涉波高：

在绘制趸船波浪压力分布图时，把干涉波看成由假想的行进波（波高为H′）完全反射形成的立波，于是水深d处的压强：

水面处的压强：

式中：h′0为假想的立波波浪中心线对静水面的超高值。

以表1中最大波浪值作为输入波浪，由上述趸船波浪荷载计算模型近似计算得到钢吊箱波浪荷载约为400 t，规范估算值远远大于实际测量值，考虑到钢吊箱多为临时性施工辅助结构，且样式多变，采用趸船模型估算钢吊箱波浪荷载存在一定的不合理性，因而需要进一步优化钢吊箱波浪荷载估算模型，降低估算值与实际值之间的偏差，进而提高施工经济性。

3 结语

本文依托中马友谊大桥项目，进行现场波流荷载监测，通过在钢吊箱外壁面上布置36组压力传感器，初步得到了钢吊箱外壁面上压力分布值，采用FFT和低通滤波方法，分离出了实测数据中各不同频率分量，准确的确定了“半日潮”的周期和由波浪引起的压强分量。通过对波浪压强在钢吊箱每个壁面进行面积矢量积分，得到了钢吊箱受到的波浪力，形成了一套适用于海上结构物波浪荷载实测及数据处理的方法，为后续CFD数值计算提供对比标准。