張 鴻 ，張永濤 ，高寧波 ，3，游新鵬 ，萬 猛

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交武漢智行國際咨詢有限公司，湖北 武漢 430040；3.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

中馬友誼大橋主橋墩鋼護(hù)筒壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

張 鴻1，2，張永濤1，高寧波1，3，游新鵬1，萬 猛2

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交武漢智行國際咨詢有限公司，湖北 武漢 430040；3.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

大直徑鋼護(hù)筒是外海橋梁設(shè)計(jì)施工中廣泛應(yīng)用的一種樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，其在波浪作用下的受力問題是海洋工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一。目前已有的研究成果大多基于數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面的研究成果較少。文章依托“一帶一路”標(biāo)志性工程項(xiàng)目——中馬友誼大橋，在主橋20號(hào)墩大直徑鋼護(hù)筒上布置了多組壓力傳感器，對(duì)其所受環(huán)境荷載進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作。采用快速傅里葉變換和濾波方法處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分離不同頻率成分，明確了潮汐的影響周期，得到了波浪引起的壓強(qiáng)分量，波浪壓強(qiáng)的最大值約為4 kPa，相關(guān)的結(jié)論對(duì)于設(shè)計(jì)臨時(shí)結(jié)構(gòu)物有重要參考意義。

鋼護(hù)筒；壓力傳感器；環(huán)境荷載；傅里葉變換

0 引言

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)樁基礎(chǔ)波浪荷載進(jìn)行了大量的研究，相關(guān)的研究成果已在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。工程上通常使用Morison[1]方程計(jì)算波流力。Morison方程將柱狀結(jié)構(gòu)物所受波流力分為兩部分，質(zhì)量力分量和阻力分量。Keulegan等[2]引入KC數(shù)來反映圓柱結(jié)構(gòu)物荷載中質(zhì)量力分量和阻力分量的關(guān)系。俞聿修[3-5]分別研究了不規(guī)則波作用下孤立樁柱、雙樁及三樁樁列所受波浪力問題，給出了質(zhì)量力系數(shù)CM、阻力系數(shù)CD與KC數(shù)的關(guān)系曲線。Kriebel[6]采用非線性波浪繞射理論計(jì)算了大直徑樁柱的二階波浪力，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。Ohl等[7]采用理論、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了垂直樁柱群在規(guī)則波作用下的波浪繞射問題。蘭雅梅等[8]對(duì)規(guī)則波作用下承臺(tái)和單樁的水動(dòng)力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，討論了承臺(tái)對(duì)樁柱受力的影響，并與上部無承臺(tái)的單樁受力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

通過以上介紹可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)于樁基礎(chǔ)波浪荷載方面的研究主要集中在Morison經(jīng)驗(yàn)公式中質(zhì)量力系數(shù)CM、阻力系數(shù)CD的取值及其與KC數(shù)之間的關(guān)系、數(shù)值計(jì)算和水池物理模型試驗(yàn)方面，然而無論數(shù)值計(jì)算還是模型試驗(yàn)均難以模擬真實(shí)的海洋環(huán)境。因此，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將起到至關(guān)重要的作用[9]。

1 工程概況

馬爾代夫中馬友誼大橋工程位于北馬累環(huán)礁東南部，連接機(jī)場(chǎng)島和首都馬累，橋梁長(zhǎng)度為1.39 km。大橋共27個(gè)橋墩：其中1~17號(hào)為馬累側(cè)引橋橋墩，19~23號(hào)為主橋橋墩，25~27號(hào)為機(jī)場(chǎng)側(cè)引橋橋墩，18號(hào)和24號(hào)為過渡墩。橋位所在海域水深約為0~60 m，局部水深可達(dá)60 m以上，海底地形復(fù)雜多變，波浪和水流環(huán)境惡劣。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，本區(qū)域存在涌浪和風(fēng)浪的混合浪，無風(fēng)條件下橋位區(qū)域存在2.0 m左右、周期為8~10 s的涌浪，這給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因而進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作具有突出的工程應(yīng)用意義。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

考慮到橋位所處海域特殊的施工條件“水深流急、波長(zhǎng)浪大、地質(zhì)復(fù)雜”的因素，橫橋向波流力成為主墩橫向主要控制荷載。主橋墩基礎(chǔ)采用群樁摩擦樁基礎(chǔ)，呈梅花式分布。20號(hào)橋墩是主橋通航孔橋墩，采用的是7根3.2~3.6 m的變截面鉆孔樁，鋼護(hù)筒外徑為3.6 m，壁厚0.032 m。為減小承臺(tái)自身重量和波流力影響，承臺(tái)采用菱形承臺(tái)，厚度為4.0 m。

根據(jù)前期的調(diào)研報(bào)告和當(dāng)?shù)厮慕y(tǒng)計(jì)資料可知，該海域主浪向?yàn)闁|南方向（SE），20號(hào)墩中心線大致平行于南北方向，主浪向SE與20號(hào)墩中心線的夾角大致呈45毅（如圖1（a）所示）。將20號(hào)墩七樁進(jìn)行編號(hào)，選取位于迎浪側(cè)的2號(hào)樁基礎(chǔ)作為目標(biāo)鋼護(hù)筒進(jìn)行環(huán)境荷載監(jiān)測(cè)。采用壓力傳感器測(cè)量鋼護(hù)筒不同位置處的壓力?？偣膊贾?列壓力傳感器，分別為位置A、位置B，每列布置4個(gè)壓力傳感器，傳感器基座固定在鋼護(hù)筒上。第1層傳感器距離平均海平面3.6 m，相鄰兩個(gè)傳感器之間的距離為8 m。壓力傳感器安裝位置如圖 1（b）所示。

圖1 主橋20號(hào)橋墩樁基礎(chǔ)分布及傳感器安裝位置Fig.1 The sketch of pile foundation in No.20 pier of main bridge and installation location of sensors

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理分析

壓力傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)定采樣頻率為1 Hz，整個(gè)實(shí)測(cè)工作為20 d，起止日期為2017-01-01—01-20，取其中較為穩(wěn)定的兩周數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

實(shí)測(cè)中，壓力傳感器測(cè)量的壓力結(jié)果中包括4部分：大氣壓強(qiáng)（1.01伊105Pa）、靜水壓強(qiáng)、潮流

壓強(qiáng)和波浪壓強(qiáng)：

式中：Ptotat是壓力傳感器測(cè)量值；Pair是大氣壓強(qiáng)，值為1.01伊105Pa；Pstatic是靜水壓強(qiáng)；Ptide是潮流壓強(qiáng)；Pwave波浪壓強(qiáng)。

大氣壓力和靜水壓力是常量，潮流壓強(qiáng)和波浪壓強(qiáng)是隨機(jī)量，但是潮流壓強(qiáng)周期遠(yuǎn)大于波浪壓強(qiáng)周期，因而可以采用頻譜分析方法分離各組成頻率分量。傅里葉變換（Fourier transform）是一種分析信號(hào)的方法，它可以用來分析信號(hào)的頻率成分，其表達(dá)式為：

式中：t為時(shí)間；棕為圓頻率，棕=2仔f。在極坐標(biāo)系下傅里葉變換可以表達(dá)為幅值譜和相位譜的乘積：

式中：灼（k駐t）為離散數(shù)據(jù)點(diǎn)；駐t為離散數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔；駐棕 =2仔（N/駐t）為頻率分辨率。式（5）和式（6）可分別通過快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）和逆快速傅里葉變換（In原verse Fast Fourier Transform，IFFT）求解。

圖2給出了布置在同一水平高度的壓力傳感器A-1和B-1所測(cè)時(shí)歷的頻譜圖。

圖2 壓力傳感器A-1和B-1測(cè)量結(jié)果頻譜值Fig.2 Comparison of frequency spectrums of Sensor A-1 and Sensor B-1

由圖可知頻率為0時(shí)，幅值為0.135 MPa，根據(jù)前面對(duì)于壓力傳感器測(cè)量結(jié)果成分的分析，該值是大氣壓強(qiáng)和靜水壓強(qiáng)之和，進(jìn)而可以由下式求得壓力傳感器布放的靜水深度：

式中：籽為海水密度，值為1.025伊103kg/m3；g為重力系數(shù)，值為9.81 N/kg。因而求得壓力傳感器布放的靜水深度h=3.4 m，這與圖1中壓力傳感器布放位置基本吻合，證明在實(shí)測(cè)中傳感器安裝位置精度可靠。

在圖2中，當(dāng)f=2.21伊10-5Hz時(shí)，壓強(qiáng)幅值出現(xiàn)一個(gè)小的峰值，其對(duì)應(yīng)的周期T=1/f約為4.5伊104s，即為12.5 h。該頻率下的壓強(qiáng)是由當(dāng)?shù)仫@著的“半日潮”引起的。采用上述方法對(duì)安裝在相同水平高度的傳感器A-2和B-2進(jìn)行FFT分析，進(jìn)而得到傳感器A-2和B-2在頻率f=0 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的幅值為0.22 MPa，由此計(jì)算得到傳感器A-2和A-1兩層傳感器之間的距離為8.1 m，考慮到水下安裝的困難，這一誤差在允許的范圍內(nèi)。

為了準(zhǔn)確得到波浪引起的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，采用低通濾波方法處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將低頻和高頻成分進(jìn)行分離。圖3分別給出了原始測(cè)量數(shù)據(jù)和低通濾波后的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)濾波后的時(shí)歷出現(xiàn)了明顯的周期性，該周期性體現(xiàn)了橋位海域突出的“半日潮”現(xiàn)象。原始數(shù)據(jù)與低通濾波后的數(shù)據(jù)之間的差值即為由波浪引起的波頻成分（如圖4所示），與潮流引起的壓強(qiáng)相比，波浪導(dǎo)致的壓強(qiáng)值較小，最大值在4 kPa附近。

圖3 原始測(cè)量結(jié)果與低通濾波結(jié)果比較（傳感器A-1）Fig.3 Result comparison of original measured data and filtering data(Sensor A-1)

圖4 波浪壓強(qiáng)（傳感器A-1）Fig.4 Wave pressure(Sensor A-1)

4 結(jié)語

本文依托中馬友誼大橋項(xiàng)目，主要進(jìn)行了大直徑鋼護(hù)筒壓強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，采用FFT和低通濾波手段，分離實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中各不同頻率分量，準(zhǔn)確確定了“半日潮”周期和波浪引起的壓強(qiáng)分量，得到了距離海平面特定水深位置處由波浪引起的壓強(qiáng)值，為估算大直徑鋼護(hù)筒所受波浪荷載提供了數(shù)據(jù)支撐。由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作內(nèi)容龐雜以及經(jīng)費(fèi)預(yù)算所限，實(shí)際監(jiān)測(cè)的位置較少，且水下固定傳感器困難重重，導(dǎo)致實(shí)際安裝位置與目標(biāo)位置之間有偏差，下一步將進(jìn)行更為細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作。

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[2]KEULEGAN G,CARPENTER L.Forces on cylinders and plates in an oscillating fluid[M].Journal Research of the National Bureau of Standards,1958.

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Field pressure data in steel casing of main pier in China-Maldives Bridge

ZHANG Hong1,2,ZHANG Yong-tao1,GAO Ning-bo1,3,YOU Xin-peng1,WAN Meng2
（1.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China;2.CCCC Wuhan ZhiXing International Consulting Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China;3.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China）

Large-diameter steel casing is widely used as pile-foundation during design and construction of open sea bridges,and its wave force problem is one of hot issues in ocean engineering.Most of the existing results are based on numerical simulations and model tests,however results on in-situ monitoring are fewer.Relying on"One Belt One Road" landmark project China-Maldives Bridge,we installed multiple sets of pressure sensors on No.20 pier column of main bridge,and carried out field monitoring of environmental loads.The methods of Fast Fourier Transform and filtering are adopted to analyze measured data,separate the different frequency components,convince the period of tide and extract wave pressure which the maximum wave pressure is about 4 kPa.The according conclusion is of great significance for the design of temporary structures.

steel casing;pressure sensor;environmental load;Fourier Transform

U441.2

A

2095-7874（2017）12-0030-03

10.7640/zggwjs201712007

2017-05-04

2017-06-16

中國博士后科學(xué)基金（2017M612541）

張鴻（1962— ），男，湖北武漢人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，總工程師，橋梁工程專業(yè)。E-mail：zhanghong_harbor@163.com