过墩船舶运动状态研究综述

(整期优先)网络出版时间:2022-09-21
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过墩船舶运动状态研究综述

杨小岳

(1.重庆交通大学 河海学院, 重庆  400074)

摘要:随着我国桥梁建设迅速发展,涉水桥墩数量不断增加,造成船舶通航的安全隐患,为此,很多学者开展了船舶过墩时运动形态的相关研究。本文从桥墩数量,流速及船速、桥墩布置形式等方面概述了前人的研究成果,分析存在问题并对未来发展提出展望。

关键词:过墩桥墩;运动形态;流速;船速;桥墩数量

中图法分类号:U661               文献标志法:A

第一作者:杨小岳(1998—),男(汉族),山东烟台人,硕士研究生,研究方向为水工结构防撞,E-mail:3403392114@qq.com。


近年来,随着经济快速增长以及运输行业高速发展,我国涉水桥梁数量迅速增加,涉水桥墩也对通航船舶的正常航行造成影响,造成船桥碰撞事故。桥梁的船撞风险已经成为桥梁运营期内需要考虑的因素,因此,开展桥墩及被动防撞装置布置形式、船速、流速、船型尺寸等因素对过墩船舶航行影响的研究,对指导船桥交会,保障水运交通安全具有重要意义。

一.桥墩数量对过墩船舶的影响

牛国杰[1]等,通过数模及物模试验,探究不同船-墩间距下船只通过串联桥墩时,艏摇力矩变化情况规律,发现当两墩间距为2D(桥墩宽度)时,艏摇力矩规律逐渐演变成与单墩类似;两墩间距为3D,艏摇力矩出现多个峰值;间距为13D时,桥墩之间基本互不影响,艏摇力矩变为船舶经过两个单墩。

叶玉康[2]等,通过在水槽中开展物理模型试验,探究船舶横向经过两个相邻桥墩时,不同墩-墩间距对艏摇力矩的干扰情况。分析发现,桥墩间距为2D时,研究结论与牛国杰类似;桥墩间距为9D时,船舶艏摇力矩基本相当于两个单墩,上下游桥墩相互之间影响可忽略不计。

胡旭跃[3]等依托以复线桥,利用卧式水槽,测力天平,动船模型探寻船舶经过圆艏型复线桥桥墩时船舶的安全距离。结果表明,通航安全距离与墩-墩间距成反相关关系,当两墩之间距离为12D时,安全通航距离与单墩的距离一致。

邱野[4]等,利用数值模拟软件构建桥区水域,分析得出不同船-墩间距,不同水流斜交角情况下航迹线宽减小百分比经验公式,如下:

双桥复线:

三桥复线:

二.流速及船速对过墩船舶的影响

乾东岳[5]利用在无法转动的船舶上布设水压力传感器,以及建立桥区水域流态的三维模型(如图1所示)。分析发现,船舶的岸吸效应和贴近船舶的涡体所产生的负压是船舶艏摇力矩原因。在此基础上提出,一倍船-墩间距可认为是安全距离。

1 桥墩水域流态示意图

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耿艳芬[6]等,利用Reef3D求解船舶运动方程,以船舶不同速度做为变量,探寻船舶通过圆柱型桥墩时艏摇力矩变化情况。证明船舶航行位置受水流影响较小,但艏摇力矩与水流流速成正相关关系,不同流速下船舶形态如图2所示:

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(a)船速为1m/s

(b)船速为2m/s

(c)船速为3m/s

2 桥墩水域流态示意图

刘双[7],利用船模和压强传感器开展物理模型试验,探究流速对船舶过墩时艏摇力矩的影响,对比发现,在流速0.15m/s至0.3m/s范围内,船舶艏摇力矩与流速成正比。

三.桥墩布置形式对过墩船舶运动的影响

蔡文龙[8]认为桥墩会对附近水域流态造成较大影响。并得出公式,划分一个以桥墩为中心的通航影响区域。在该区域内,船舶因受到桥墩扰流的影响较难控制。

孟繁超[9]等通过可偏转动船模型,监测船舶经过加装被动防撞装置时艏摇力矩变化情况,证明桥梁加装被动防撞装置会增加对过墩船舶的影响。

四.其他因素对过墩船舶运动的影响

赵海艳[10],简述了横风和横流对过墩船舶运动的影响,并在此基础上建立船舶运动模型,预测考虑风流作用下船舶可能的撞角度及撞速。

张宇[11]等,利用商业软件FLUENT建立桥区水域三维模型,发现在船-墩间距会对过墩船舶重心位置偏移造成影响,规律为船舶重心与桥墩间距先减小在增大。研究发现,船舶以2.5m/s,3.5m/s,通过桥墩时,船舶重心先靠近桥墩再远离桥墩;船舶以4.5m/s,5.5m/s通过桥墩时,船舶会因为岸吸效应而持续靠近桥墩。

杜鹏[12]则在船舶过墩中引入船行波,并认为波浪会在壁面上发生各种反射,使船舶过墩行为更加复杂。

沈小雄[13]等以船舶操作理论为基础,以安乡大桥为实际工程背景,对船舶经过连续河道时转弯半径进行探究,结果发现,千吨级船舶转弯半径约为480m,为保障安全,转弯半径应调整为6倍船长。

五.结论

综上所述,大量学者对船舶过墩问题进行了研究。探究了桥墩数量、桥区河段流速、自身船速、被动防撞装置、船-墩间距、风流因素等因素对船舶运动形态的影响。为船-桥相遇问题提供了理论指导,但由于船-桥相遇问题较为复杂,还需要做进一步挖掘:

1)关于船-墩安全间距,各方给出的结论一般为1D-3D之间,并没有一个统一的定论。

2)随着桥梁防撞装置的逐步普及[16],在建立桥区模型中应考虑加入防撞装置,将防撞装置与桥墩做为一个统一整体进行研究。

3)现阶段船模相对粗糙,可以用自航船模开展研究,得出更准确的结论。

参考文献

[1]牛国杰,刘晓平,叶玉康,李安斌.串列桥墩绕流对行进船舶受力的影响研究[J].交通科学与工程,2018,34(03):46-52.

[2]叶玉康. 串列桥墩与船舶间水动力相互作用研究[D].长沙理工大学,2017.

[3]胡旭跃,曹勇,沈小雄,陈家贵,吴剑.复式圆端型桥墩附近船舶受力特性及通航安全区范围[J].长沙理工大学学报(自然科学版),2016,13(02):70-75+101.

[4]邱野,沈小雄.复线桥的巷道效应分析[J].吉林水利,2011(06):16-19.

[5]乾东岳. 桥墩周围水流结构与船舶的相互作用机理研究[D].长沙理工大学,2013.

[6]耿艳芬,郭华强,柯兴,马耀鲁.桥墩绕流特性对船舶运动受力的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2020,50(01):153-160.

[7]刘双. 桥区航行船舶的受力分析及通航条件试验研究[D].长沙理工大学,2016.

[8]蔡文龙. 基于数值模拟的桥墩附近通航船舶操纵运动研究[D].福州大学,2015.

[9]余葵,孟繁超,刘宪庆,吴威力,毛德涵.斜交桥墩布设防撞装置影响通航研究[J].水利与建筑工程学报,2021,19(05):105-110.

[10]赵海艳. 桥区船舶运动数值模拟及船撞风险分析[D].重庆交通大学,2011.

[11]张宇. 船舶运动与桥墩紊流耦合作用三维数值模拟[D].长沙理工大学,2016.

[12]杜鹏,胡海豹,黄潇. 限制航道内船过桥墩的定常与非定常水动力特性研究[C]//.第三十一届全国水动力学研讨会论文集(下册).,2020:1150-1155.

[13]胡旭跃,尹愈强,沈小雄,陈健强,许足怀.连续弯曲河道段桥位布置及通航安全分析[J].安全与环境学报,2015,15(06):141-145.