李维克多

摘 要：随着我国经济技术的发展，桥梁的建设越发频繁，桥墩是桥梁的主要支持物，其寿命直接影响桥梁的安全性和寿命，探索桥墩绕洗冲刷原理，寻求一种可减轻冲刷的方法，对桥梁的安全性及寿命有重大帮助。实验通过用solidworks设计实验用的桥墩模型，并用3D打印技术打印，利用piv技术观测不同的冲洗速度，不同模型的水动力特性，并用taplot加以显示。观测到了在慢速和快速水流下不同模型的不同流场特性，桥墩的半径对于减轻水流的冲刷力可以忽略不计，粗糙程度越可以减轻水流的冲刷力度。那进而建造桥梁时选用粗糙程度大的桥墩可以增加桥梁的安全性和寿命。

一、引言

水流经过桥墩，会在桥墩的背流面形成复杂的三位流场，从而对桥体本身会进行冲刷，造成桥墩寿命减少，出现安全隐患，经济损失。改善桥墩结构和材料，减轻桥墩冲刷的问题一直以来倍受国内外学者的关注 。姚熊亮（2010）探究湍流模拟方法对三维圆柱绕流数值模拟精度的影响，分别采用雷诺平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大涡模拟法（LES）对亚临界区内雷诺数Re=3 900时的三维圆柱绕流进行数值计算，分析了圆柱体表面的受力、圆柱后流场时均速度特性与瞬时涡量分布情况。[1]李悦等人在（2010）在Morison动水理论的基础上提出了一种适用于深水大跨径斜拉桥动力时程反应分析的动水力简便计算方法，并应用于南京长江第三大桥，分析了动水对斜拉桥结构的动力特性和地震反应的影响。[2]张晓月（2012）等人以厦蓉线水都高速公路T梁桥高墩合理结构形式及应用研究为依托，大量收集国内外已建高墩的桥墩类型、造型特点、应用桥型等，按不同高度等级对高墩分类，分析各个高度区间桥墩选型特点、适宜墩形、经济性等，从而为之后的研究工作的合理性验证提供依据。[3]观察以上实验研究发现，他们的结论都是与改变桥墩的自身结构或者对于桥墩的宏观位置摆放进调整，但都没有从微观上去深入研究，本课题弥补了这一缺失，采用3D打印模型建模。通过利用piv技术观测不同的冲洗速度，不同模型的水动力特性，并用taplot加以显示。得出桥墩的半径对于减轻水流的沖刷力可以忽略不计，粗糙程度越可以减轻水流的冲刷力度，为今后建桥提供建议。

二.实验研究

（一）实验原理

（1）PIV技术

PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量丧置并不介入流场，另外PIV技术具有较高的测量精度，速度测量都依赖散布在流场中的示踪粒子，PIV法测速私是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬火速度分布若示踪粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状态。如果我们知道在 t1 与 t2 这两个时刻同一颗粒微团的位移变化，从记录所得颗粒图像，根据速度的定义式就可以获得颗粒群在 t1 时刻的运动速度分布：

PIV测速系统装置图如图1所示。PIV测速系统所采用CCD高频照相机，其分辨率为3M，且图像放大系数为0.64;激光发射器最高发射能量为800mj;示踪粒子为10μm镀银空心小球。设置互相关分析的查问域大小为32×32像素

（2） solidworks

Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且操作简单方便、易学易用。SolidWorks独有的拖拽功能使我们在比较短的时间内完成大型装配设计。在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。本次实验中利用solidworks制作了三个开孔大小不同的模型。

（3）Tecplot

Tecplot提供了丰富的绘图格式，包括x-y曲线图，多种格式的的2-D和3-D面绘图，和3-D体绘图格式。本次试验研究用tecplot分析了从摄像机里传出来的图像。

（4）3D打印技术

D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

（二）实验过程

1.材料与仪器

本实验涉及到的实验器材有：接有可变电压的激光发射源、准直透镜、会聚透镜、柱透镜、水槽、CCD相机、示踪粒子（直径为5um的空心玻璃小球）、烧杯、玻璃棒、胶头滴管、超声波清洗器。

2.实验过程

该实验通过3D打印模型打印出不同半径大小及表面粗糙程度圆柱体来模拟桥墩，用小型可推水板来制造水流，在进行了尺度标定之后便可以进行实验。

本实验的自变量主要为桥墩的粗糙程度，由于实验材料有限，所以就以是否开孔以及孔径的大小来代替桥墩的粗糙程度。

本次主要使用加矩形和标准圆柱形两种形状的桥墩模型

实验（1）：取两个圆柱，使它们的半径大小不一致，而其形状（加矩形，圆柱）相同。

实验（2）：取两个圆柱，使它们的形状一致，而其半径大小不一致。

试验水深约0.3m， 以柱形开孔桥墩和加矩形开孔桥墩分别进行试验， 控制断面平均流速V分别为0.6 m/s、0.8m/s和1 m/s。

具体步骤：准备一合适透明玻璃容器（类似水族箱），宽为0.8m，长为1.5m，高为0.60m.将器材按相应位置放置，其中桥墩模型固定稳固，撒下示踪粒子，并使其扩散均匀，控制水流速，等流速稳定后，通过CCD相机在计算机上进行观察，拍摄并分析桥墩后的涡量，流速等系列相关数据。

（三）实验结果分析

通过比对两种形状桥墩的涡量及流速，得出结论。

三、总结

本次试验通过以桥墩为开孔变量的PIV实验研究，通过正圆柱形，加矩形桥墩的对比可以得出在建桥前对于桥墩的材料选取对桥墩冲刷具有显著影响，显然加矩形桥墩产生的旋涡更稳定，其平均涡量也越小，速度越小，对于桥体的侵损越小。所以在建桥规划中，应选用加矩形来建造桥墩。

参考文献：

[1]姚熊亮，方媛媛，戴绍仕，等.基于LES方法圆柱绕流基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟[J].水动力学研究与进展A辑，2007，（5）：564-572.

[2]李悦， 宋波. 动水对斜拉桥结构动力响应影响研究[J]. 土木工程学报2010（12）：94-99.

[3]张小月， 陈艾荣， 吴怀义. 国内外高墩桥梁桥墩造型应用研究[J]. 上海公路， 2012（1）：44-48.

[4]王刚，开孔桥墩水动力特性PIV试验，中国知网2018（8）：8-12