Page 31 - 《振动工程学报》2026年第2期
P. 31

第 2 期         蒋冬启，等：基于      CFD-FEA  联合仿真的波浪荷载作用下离散浮箱式浮桥动力响应研究                             347


                                简化模型      精细化模型                 下，该离散浮箱式浮桥结构的整体受力可近似等效
                       2.0
                                                                为跨径为     80 m  的连续梁体系；而在波浪横向作用
                       1.0                                      下，结构整体可视为单跨为             480 m  的梁桥，其整体柔
                     位移 / m  0                                  度显著增大。在此工况下，浮桥结构的横向位移响


                      −1.0                                      应幅值较大，往复振动周期明显延长。上述特性表
                                                                明，波浪横向作用对浮桥结构动力响应具有重要影
                      −2.0
                         0    20    40    60   80    100        响，在结构设计与安全评估中应给予充分关注。此
                                    波周期 / s                     外，浮箱的横向位移峰值随波浪周期的增加呈先增
                                   (a) 横向位移
                                (a) Lateral displacement        大后减小的趋势，在波浪周期为               12.3 s 的时候达到峰
                       1.0                                      值，此时浮桥的自振周期与该波浪周期接近，第                      1  阶

                                                                横向弯曲模态被激发，结构的横向位移极值发生突变。

                       0.5                                      3.2.2    系泊参数影响性分析
                     位移 / m                                         波浪荷载对离散浮箱式浮桥的动力响应影响显
                        0
                                                                著。在特定周期波浪作用下，浮桥跨中区域的结构
                                                                横向位移较大，工程设计中应予以关注。为此，本文
                      −0.5
                         0    20    40    60   80    100        研究在浮箱底部设置锚泊系统，用以限制浮箱的横
                                    波周期 / s
                                   (b) 竖向位移                     向运动，抑制浮桥结构的变形。在                 ABAQUS  软件数
                                (b) Vertical displacement
                          ×10 −2                                值建模中采用接地弹簧模拟锚泊系统，并设置不同
                       4.0
                                                                方向的刚度参数。为了探究系泊参数的影响规律，
                       2.0                                      建模分析中选取        3  种不同的系泊刚度数值并与无系
                     转角 / rad  0                                泊浮桥算例结果对比，分析波浪荷载作用下各桥例

                                                                关键位置的位移和内力响应。初始刚度设置为：横
                      −2.0                                      向刚度    4.5×10  N/m、竖向刚度     2×10  N/m、转动刚度
                                                                            6
                                                                                                6
                                                                    7
                      −4.0                                      6×10  N·m/rad，其余两种系泊刚度参数分别取初始刚
                         0    20    40    60   80    100
                                    波周期 / s                     度的   1/2（0.5K）和  1/4（0.25K）。研究中考虑     10  种不同
                                    (c) 纵摇角                     周 期 的 入 射 波 浪 荷 载 作 用（ 2.53、 3.58、 5.70、 6.93、
                                   (c) Pitch angle

                                                                8.01、8.90、9.81、11.0、12.3  和  14.0 s），对比分析不同
                   图 8 两种建模方法下中间浮箱的运动响应对比
                                                                系泊参数条件下，浮桥结构的中间浮箱横向位移、
              Fig. 8 Comparison of motion responses of the interior pontoon
                                                                支座处横向剪力和支座弯矩等动力响应，如图                      11  所
                    determined by two modeling approaches
                                                                示。图中红线、蓝线和绿线分别表示系泊刚度为                       K、

                                                       固定       0.5K  和  0.25K  的浮桥算例动力响应，作为对比参照，
                                                  5
                                            4
                                      3                         黑线表示无系泊浮桥算例的分析结果。由图                       11(a)
                               2
                         1                                      可知，初始系泊刚度为             的浮桥算例的最大位移值
                固定                                                                   K
                    Z                                           约为   1 m，仅为全桥桥长的         1/500。随着系泊刚度数
                  Y   X                                         值 的 减 小， 桥 例 中 间 浮 箱 的 最 大 横 向 位 移 不 断 增
                   O

                                                                加。当系泊刚度为         0.25K  时，最大位移数值达到         8 m，
                             图 9 浮桥模型示意图
                                                                为全桥桥长的       1/60。类似地，对于支座处的剪力和
                 Fig. 9 Schematic diagram of the floating bridge model
                                                                弯矩响应，峰值内力随系泊刚度的增加不断减小。

                  周期为   8.01 s 波浪作用下，浮桥各浮箱的位移响
                                                                当系泊刚度由       0.25K  增加至  K  时，最大内力响应降低
              应时程以及不同周期波浪下各浮箱的横向和竖向位                            约  80%。通过对比表        4  的模态分析结果发现，相同
              移峰值对比情况如图           10  所示。在周期性波浪荷载               的模态振型下，无系泊浮桥的自振周期明显长于有
              作用下，浮桥结构出现连续多次周期性的动力响应，                           系泊浮桥。对于         1  阶横向弯曲振型，无系泊浮桥的
              达到稳态解。浮箱的横向位移响应往复周期明显长                            自振周期为      12.34 s，远大于有系泊浮桥算例，故更容
              于竖向位移响应，各工况下浮箱的峰值位移呈现从                            易被长周期波浪荷载激发。与此相对应，在短周期
              两端向中间逐渐增大的趋势，横向位移峰值明显大                            范围波浪作用下，有系泊浮桥算例的位移和内力响
              于竖向位移峰值，最大横向位移值甚至达到桥长的                            应大于无系泊浮桥的响应。以系泊刚度为                     0.25K  的
              1/50。浮桥上部结构在两侧梁端固定，中间                  5  个浮箱     浮桥结构为例，当波浪周期大于               10 s 时，无系泊浮桥
              仅提供竖向支撑，无横向系泊装置；在波浪竖向作用                           的响应数值开始逐渐超过有系泊浮桥，且差距不断
   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36