李維克多

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，橋梁的建設(shè)越發(fā)頻繁，橋墩是橋梁的主要支持物，其壽命直接影響橋梁的安全性和壽命，探索橋墩繞洗沖刷原理，尋求一種可減輕沖刷的方法，對橋梁的安全性及壽命有重大幫助。實(shí)驗(yàn)通過用solidworks設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用的橋墩模型，并用3D打印技術(shù)打印，利用piv技術(shù)觀測不同的沖洗速度，不同模型的水動(dòng)力特性，并用taplot加以顯示。觀測到了在慢速和快速水流下不同模型的不同流場特性，橋墩的半徑對于減輕水流的沖刷力可以忽略不計(jì)，粗糙程度越可以減輕水流的沖刷力度。那進(jìn)而建造橋梁時(shí)選用粗糙程度大的橋墩可以增加橋梁的安全性和壽命。

一、引言

水流經(jīng)過橋墩，會在橋墩的背流面形成復(fù)雜的三位流場，從而對橋體本身會進(jìn)行沖刷，造成橋墩壽命減少，出現(xiàn)安全隱患，經(jīng)濟(jì)損失。改善橋墩結(jié)構(gòu)和材料，減輕橋墩沖刷的問題一直以來倍受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注 。姚熊亮（2010）探究湍流模擬方法對三維圓柱繞流數(shù)值模擬精度的影響，分別采用雷諾平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大渦模擬法（LES）對亞臨界區(qū)內(nèi)雷諾數(shù)Re=3 900時(shí)的三維圓柱繞流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了圓柱體表面的受力、圓柱后流場時(shí)均速度特性與瞬時(shí)渦量分布情況。[1]李悅等人在（2010）在Morison動(dòng)水理論的基礎(chǔ)上提出了一種適用于深水大跨徑斜拉橋動(dòng)力時(shí)程反應(yīng)分析的動(dòng)水力簡便計(jì)算方法，并應(yīng)用于南京長江第三大橋，分析了動(dòng)水對斜拉橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和地震反應(yīng)的影響。[2]張曉月（2012）等人以廈蓉線水都高速公路T梁橋高墩合理結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用研究為依托，大量收集國內(nèi)外已建高墩的橋墩類型、造型特點(diǎn)、應(yīng)用橋型等，按不同高度等級對高墩分類，分析各個(gè)高度區(qū)間橋墩選型特點(diǎn)、適宜墩形、經(jīng)濟(jì)性等，從而為之后的研究工作的合理性驗(yàn)證提供依據(jù)。[3]觀察以上實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，他們的結(jié)論都是與改變橋墩的自身結(jié)構(gòu)或者對于橋墩的宏觀位置擺放進(jìn)調(diào)整，但都沒有從微觀上去深入研究，本課題彌補(bǔ)了這一缺失，采用3D打印模型建模。通過利用piv技術(shù)觀測不同的沖洗速度，不同模型的水動(dòng)力特性，并用taplot加以顯示。得出橋墩的半徑對于減輕水流的沖刷力可以忽略不計(jì)，粗糙程度越可以減輕水流的沖刷力度，為今后建橋提供建議。

二.實(shí)驗(yàn)研究

（一）實(shí)驗(yàn)原理

（1）PIV技術(shù)

PIV技術(shù)除向流場散布示蹤粒子外，所有測量喪置并不介入流場，另外PIV技術(shù)具有較高的測量精度，速度測量都依賴散布在流場中的示蹤粒子，PIV法測速私是通過測量示蹤粒子在已知很短時(shí)間間隔內(nèi)的位移來間接地測量流場的瞬火速度分布若示蹤粒子有足夠高的流動(dòng)跟隨性，示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)就能夠真實(shí)地反映流場的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果我們知道在 t1 與 t2 這兩個(gè)時(shí)刻同一顆粒微團(tuán)的位移變化，從記錄所得顆粒圖像，根據(jù)速度的定義式就可以獲得顆粒群在 t1 時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度分布：

PIV測速系統(tǒng)裝置圖如圖1所示。PIV測速系統(tǒng)所采用CCD高頻照相機(jī)，其分辨率為3M，且圖像放大系數(shù)為0.64;激光發(fā)射器最高發(fā)射能量為800mj;示蹤粒子為10μm鍍銀空心小球。設(shè)置互相關(guān)分析的查問域大小為32×32像素

（2） solidworks

Solidworks有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，而且操作簡單方便、易學(xué)易用。SolidWorks獨(dú)有的拖拽功能使我們在比較短的時(shí)間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計(jì)。在強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作（包括Windows風(fēng)格的拖/放、點(diǎn)/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用SolidWorks ，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間的是全相關(guān)的。本次實(shí)驗(yàn)中利用solidworks制作了三個(gè)開孔大小不同的模型。

（3）Tecplot

Tecplot提供了豐富的繪圖格式，包括x-y曲線圖，多種格式的的2-D和3-D面繪圖，和3-D體繪圖格式。本次試驗(yàn)研究用tecplot分析了從攝像機(jī)里傳出來的圖像。

（4）3D打印技術(shù)

D打?。?DP）即快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

（二）實(shí)驗(yàn)過程

1.材料與儀器

本實(shí)驗(yàn)涉及到的實(shí)驗(yàn)器材有：接有可變電壓的激光發(fā)射源、準(zhǔn)直透鏡、會聚透鏡、柱透鏡、水槽、CCD相機(jī)、示蹤粒子（直徑為5um的空心玻璃小球）、燒杯、玻璃棒、膠頭滴管、超聲波清洗器。

2.實(shí)驗(yàn)過程

該實(shí)驗(yàn)通過3D打印模型打印出不同半徑大小及表面粗糙程度圓柱體來模擬橋墩，用小型可推水板來制造水流，在進(jìn)行了尺度標(biāo)定之后便可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)的自變量主要為橋墩的粗糙程度，由于實(shí)驗(yàn)材料有限，所以就以是否開孔以及孔徑的大小來代替橋墩的粗糙程度。

本次主要使用加矩形和標(biāo)準(zhǔn)圓柱形兩種形狀的橋墩模型

實(shí)驗(yàn)（1）：取兩個(gè)圓柱，使它們的半徑大小不一致，而其形狀（加矩形，圓柱）相同。

實(shí)驗(yàn)（2）：取兩個(gè)圓柱，使它們的形狀一致，而其半徑大小不一致。

試驗(yàn)水深約0.3m， 以柱形開孔橋墩和加矩形開孔橋墩分別進(jìn)行試驗(yàn)， 控制斷面平均流速V分別為0.6 m/s、0.8m/s和1 m/s。

具體步驟：準(zhǔn)備一合適透明玻璃容器（類似水族箱），寬為0.8m，長為1.5m，高為0.60m.將器材按相應(yīng)位置放置，其中橋墩模型固定穩(wěn)固，撒下示蹤粒子，并使其擴(kuò)散均勻，控制水流速，等流速穩(wěn)定后，通過CCD相機(jī)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行觀察，拍攝并分析橋墩后的渦量，流速等系列相關(guān)數(shù)據(jù)。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過比對兩種形狀橋墩的渦量及流速，得出結(jié)論。

三、總結(jié)

本次試驗(yàn)通過以橋墩為開孔變量的PIV實(shí)驗(yàn)研究，通過正圓柱形，加矩形橋墩的對比可以得出在建橋前對于橋墩的材料選取對橋墩沖刷具有顯著影響，顯然加矩形橋墩產(chǎn)生的旋渦更穩(wěn)定，其平均渦量也越小，速度越小，對于橋體的侵損越小。所以在建橋規(guī)劃中，應(yīng)選用加矩形來建造橋墩。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚熊亮，方媛媛，戴紹仕，等.基于LES方法圓柱繞流基于LES方法圓柱繞流三維數(shù)值模擬[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯，2007，（5）：564-572.

[2]李悅， 宋波. 動(dòng)水對斜拉橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)2010（12）：94-99.

[3]張小月， 陳艾榮， 吳懷義. 國內(nèi)外高墩橋梁橋墩造型應(yīng)用研究[J]. 上海公路， 2012（1）：44-48.

[4]王剛，開孔橋墩水動(dòng)力特性PIV試驗(yàn)，中國知網(wǎng)2018（8）：8-12