水沙流作用下粗糙度对圆柱体结构受力特性及冲蚀的影响

乔智威，刘 壮，张宪堂，张惠尧，李泽熹，李 丹

(1.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590；2.山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590；3.山东高速青岛公路有限公司，山东 青岛 266114；4.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)

当水流以一定速度绕过圆柱体结构时，随着流动的分离会出现卡门涡街现象，引发柱体在来流方向和垂直方向上出现作用力的周期变化。这种作用力能够引发结构物自身产生周期振动，当旋涡脱落的频率与圆柱体结构振动频率接近时，会导致结构物的损坏。而水流中含有的不同浓度沙粒更是增大了水流对结构物的损坏程度。桥梁作为跨越河流的常用手段，桥桩、桥墩等圆柱体结构长期受到水流的冲蚀作用，对其使用寿命造成严重影响。因此研究绕流时柱体的受力特性及水沙流对柱体的冲蚀，对工程设计非常重要[1-2]。

水体绕流对柱体受力特性产生的影响，既与流体本身的特性有关，也受结构物尺寸的影响。Zdravkovich等[3-5]通过实验发现，随着雷诺数的改变，绕流时柱体的受力状态也会发生改变；崔维征等[6-8]发现结构体的尺寸改变会影响其绕流的动力特性；胡彬等[9-11]通过对不同直径的圆柱进行数值模拟，发现改变圆柱直径的大小会影响柱体的受力特性；申彦兵等[12]通过改变柱体粗糙度，探究了粗糙度对圆柱绕流柱体受力特性的影响；王凯鹏等[13]发现来流条件、不同柱体的间距比都会对圆柱体上的受力产生影响。……