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摘 要：在桥区通航安全问题中，船舶运动过程中的受力情况与桥墩周围紊流特征息息相关，为了解船-桥间水动力对桥区通航的干扰作用，本文采用概化水槽模型试验研究船-桥交会运动过程中船桥间距对船舶受力的影响。实验研究表明，船舶行进过程中所受艏摇力矩源于桥墩周围涡体贴近船体时产生的负压区，且船舶所受艏摇力矩的最大值随船桥间横向距离的增大而减小;船体受渦体负压区的影响程度与涡体的瞬时形态相关，具有不确定性。
关键词：船-桥交会;物理模型;水压力;艏摇力矩
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）07-0039-03
随着经济的发展及城市的发展，跨河桥梁的数量及密集程度显著增长，桥区通航安全问题日益突出[1]。在船舶的安全通航领域，界定航行船只与桥墩间的富余宽度是一项非常关键的任务，当下富余宽度通常是依照围绕桥墩所形成的碍航紊流的界限来界定[2-3]。影响桥墩周围紊流特性的因素有许多，如水深[4]、桥墩形态[4-5]、行近流速等[6-7]，而船舶作为刚体大变形动边界，对桥墩周围紊流的作用不容忽视，行船过程中没有将船-桥间水动力纳入影响因素，可能导致所界定的富余宽度不足，影响航行安全。
为了解船-桥间水动力对桥区通航的干扰作用，本文采用物理模型试验方法研究船-桥间距对船舶受力的影响，并分析船舶所受艏摇力矩与水流结构的相关性及其原理。
1模型设计
1.1相似比尺
试验采用钢化玻璃水槽，断面为长方形，水槽总长度35.00m，净宽1.60m，净高0.50m。根据水槽尺寸与配套给水系统的供水能力，并结合缩尺效应的影响，选取几何比尺λL=1：50的正态比尺模型。
1.2船模及桥墩模型
船体受桥墩周围紊流涡体负压区的影响程度，跟桥墩横断面直径长度D与船长LC的比值呈正相关性，即D/Lc的值越大，船舶行驶过桥区的安全隐患越大。本实验以最不利情况为研究对象，参照三峡库区运输船舶标准船型主尺度表，采用500吨级普通驳船为实验原型，500吨级原型船舶主尺度为45m×10.8m。船模选择与玻璃水槽一致的正态模型，几何比尺λL=1：50，如图1所示。
1.3船桥交会运动坐标系
实验模拟原型中船舶与桥墩交会的过程，水流行近流速为2m/s，船舶顺水流方向航行，对岸航速为2m/s。试验受到水槽宽度的限制，为了消除水槽边界对水流结构所产生的作用，本试验选取随船运动的坐标系（动坐标系统），水流行进流速与船舶的对岸航速相等，因此试验时可认为船舶与水流无相对运动，水流流速为零，而桥墩以2m/s的速度上行，如图2所示。
1.4试验手段
本文使用昆山双桥传感器测控有限公司生产的压力传感器（CYG505）测量船体表面点脉动压力的变化。根据船舶受力的分布特点，在船舶靠近桥墩的一侧布置4处压力传感器，测量船体行进过程中所受的压力值。传感器布置位置如图3所示。
2 试验场次安排
本次实验水深为10m，可不计船模所受浅水效应的影响，桥墩以2.0m/s恒定速度行进，船模顺水流方向航行，其对岸航速与水流流速相等。
在上述条件不变的前提下，采用不同的船桥横向间距L进行试验，采集船舶与桥墩交会过程中船体表面所受脉动点压力的数值，对船舶驶过桥墩时的体表受力过程进行研究，具体实验参数见表1，D表示桥墩直径，1.0D表示1倍的桥墩直径。
3 试验结果分析
3.1 船体周围压力分布演进规律
以表1所示工况1为例分析，图3所示的四个测点移动至桥墩中垂线的时刻分别为t1=3.6s，t2=4.3s，t3=5.0s，t4=6.1s。各测点的受力变化都有一个共性，即各测点的首个峰值都出现在该测点与桥墩交会的时刻。当船体位置移动至墩后，墩后水流经过船-桥间隙迅速扩散，引起压力测值骤降，船桥间负压急剧减小至静水压力值之下。压力值的减小程度与桥墩下游涡体的瞬时形态有关，具有一定的随机性。随着船舶继续行进，船与桥墩之间的距离拉远，桥墩后紊流对船体影响相应减弱，船身所受压力值恢复到接近静水压力且稍小于静水压力的状态，如图4所示。
分析可知，船舶与桥墩交会进程中所受艏摇力矩来自桥墩周围涡体贴近船体产生的负压区;船首与桥墩交会时所受力矩最大，此时的船-桥间水动力最有可能导致船舶出现欠控、甚至失控。
3.2船桥间横向距离对船舶受力的影响
桥墩周围的碍航紊流是船体在经过桥墩时产生艏摇力矩的重要原因[8-10]。通过分析船舶与桥墩交会过程中，船体表面所受压力的分布特点，可探究船舶受水流结构影响产生艏摇力矩的机理。
以测点1#、2#的压力测值为例，分析表1所示四种工况的脉动压强变化规律。随着船-桥间横向距离的改变，船舶运动过程中的体表压力值见图5和图6所示。船舶体表所受压力测值随着船-桥间距的减小而逐渐增大，船舶沿程所受压力峰值在船首到达桥墩附近时出现，此时，船桥间水流的负压区拉力和桥墩两侧涡体的压力同时作用于船体。
船舶行驶过桥墩后的受力有明显的波动，船体受涡体负压区的影响程度与涡体的瞬时形态相关，具有不确定性，与船体和桥墩尾涡交会的时机有关。
4 结论
（1）船舶运动过程中受到的艏摇力矩来自桥墩周围涡体贴近船舶产生的负压区，艏摇力矩的最大值随船桥间横向距离的增大而减少。
（2）船首与桥墩交会时船舶所受艏摇力矩达到峰值，此时的船-桥间水动力对船舶航行影响最大，是船舶航行的最不利时刻，极易导致船舶出现欠控、甚至失控，行船时应加强警惕。 （3）船体受涡体负压区的影响程度与涡体的瞬时形态相关，具有不确定性，与船体和桥墩尾涡交会的时机有关。
参考文献：
[1]方森松.连续布置桥墩周围水流特性研究[D].长沙：长沙理工大学，2011.
[2]沈小雄，程永舟，胡旭跃等.航道边线与桥墩之间安全距离的研究[J].水运工程，2004（11）：85-87.
[3]欧阳飞.桥墩周围紊流区宽度及桥梁通航孔净宽研究[D].长沙：长沙理工大学，2005.
[4]庄元，刘祖源.桥墩紊流宽度的试验研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2007（10）：846-849.
[5]何小花，陈立等.桥墩紊流宽度的试验研究[J].水利水运工程学报，2006（3）： 49-53.
[6]祖小勇.圆端形桥墩周围水流紊动特性及紊流宽度研究[D].长沙：长沙理工大学，2009.
[7]杨志军，艾万政.具有弯曲特性河道上桥梁通航宽度的探讨[J].水运工程，2007（3）：63-65.
[8] Liu Xiao-ping，Qian Dong-yue，et al. Study on the width of turbulent area around pier with ship impact[C]. Applied Mechanics and Materials （ Germany ） 2012，ISSN： 1660-9336
[9] ZHANG C X， ZOU Z J. Numerical investigation onship-ship hydrodynamic interaction in restrictedwaters[C]. Proceedings of 2nd International Conferenceon Ship Manoeuvring in Shallow and Confined Water：Ship to Ship Interaction， Trondheim， Norway， 2011.407-412.
[10]張晨曦，邹早建，王化明.驶经桥墩船体非定常水动力相互作用数值预报[J].水动力学研究与进展A辑，2012（3）：359-364.
关键词：船-桥交会;物理模型;水压力;艏摇力矩
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）07-0039-03
随着经济的发展及城市的发展，跨河桥梁的数量及密集程度显著增长，桥区通航安全问题日益突出[1]。在船舶的安全通航领域，界定航行船只与桥墩间的富余宽度是一项非常关键的任务，当下富余宽度通常是依照围绕桥墩所形成的碍航紊流的界限来界定[2-3]。影响桥墩周围紊流特性的因素有许多，如水深[4]、桥墩形态[4-5]、行近流速等[6-7]，而船舶作为刚体大变形动边界，对桥墩周围紊流的作用不容忽视，行船过程中没有将船-桥间水动力纳入影响因素，可能导致所界定的富余宽度不足，影响航行安全。
为了解船-桥间水动力对桥区通航的干扰作用，本文采用物理模型试验方法研究船-桥间距对船舶受力的影响，并分析船舶所受艏摇力矩与水流结构的相关性及其原理。
1模型设计
1.1相似比尺
试验采用钢化玻璃水槽，断面为长方形，水槽总长度35.00m，净宽1.60m，净高0.50m。根据水槽尺寸与配套给水系统的供水能力，并结合缩尺效应的影响，选取几何比尺λL=1：50的正态比尺模型。
1.2船模及桥墩模型
船体受桥墩周围紊流涡体负压区的影响程度，跟桥墩横断面直径长度D与船长LC的比值呈正相关性，即D/Lc的值越大，船舶行驶过桥区的安全隐患越大。本实验以最不利情况为研究对象，参照三峡库区运输船舶标准船型主尺度表，采用500吨级普通驳船为实验原型，500吨级原型船舶主尺度为45m×10.8m。船模选择与玻璃水槽一致的正态模型，几何比尺λL=1：50，如图1所示。
1.3船桥交会运动坐标系
实验模拟原型中船舶与桥墩交会的过程，水流行近流速为2m/s，船舶顺水流方向航行，对岸航速为2m/s。试验受到水槽宽度的限制，为了消除水槽边界对水流结构所产生的作用，本试验选取随船运动的坐标系（动坐标系统），水流行进流速与船舶的对岸航速相等，因此试验时可认为船舶与水流无相对运动，水流流速为零，而桥墩以2m/s的速度上行，如图2所示。
1.4试验手段
本文使用昆山双桥传感器测控有限公司生产的压力传感器（CYG505）测量船体表面点脉动压力的变化。根据船舶受力的分布特点，在船舶靠近桥墩的一侧布置4处压力传感器，测量船体行进过程中所受的压力值。传感器布置位置如图3所示。
2 试验场次安排
本次实验水深为10m，可不计船模所受浅水效应的影响，桥墩以2.0m/s恒定速度行进，船模顺水流方向航行，其对岸航速与水流流速相等。
在上述条件不变的前提下，采用不同的船桥横向间距L进行试验，采集船舶与桥墩交会过程中船体表面所受脉动点压力的数值，对船舶驶过桥墩时的体表受力过程进行研究，具体实验参数见表1，D表示桥墩直径，1.0D表示1倍的桥墩直径。
3 试验结果分析
3.1 船体周围压力分布演进规律
以表1所示工况1为例分析，图3所示的四个测点移动至桥墩中垂线的时刻分别为t1=3.6s，t2=4.3s，t3=5.0s，t4=6.1s。各测点的受力变化都有一个共性，即各测点的首个峰值都出现在该测点与桥墩交会的时刻。当船体位置移动至墩后，墩后水流经过船-桥间隙迅速扩散，引起压力测值骤降，船桥间负压急剧减小至静水压力值之下。压力值的减小程度与桥墩下游涡体的瞬时形态有关，具有一定的随机性。随着船舶继续行进，船与桥墩之间的距离拉远，桥墩后紊流对船体影响相应减弱，船身所受压力值恢复到接近静水压力且稍小于静水压力的状态，如图4所示。
分析可知，船舶与桥墩交会进程中所受艏摇力矩来自桥墩周围涡体贴近船体产生的负压区;船首与桥墩交会时所受力矩最大，此时的船-桥间水动力最有可能导致船舶出现欠控、甚至失控。
3.2船桥间横向距离对船舶受力的影响
桥墩周围的碍航紊流是船体在经过桥墩时产生艏摇力矩的重要原因[8-10]。通过分析船舶与桥墩交会过程中，船体表面所受压力的分布特点，可探究船舶受水流结构影响产生艏摇力矩的机理。
以测点1#、2#的压力测值为例，分析表1所示四种工况的脉动压强变化规律。随着船-桥间横向距离的改变，船舶运动过程中的体表压力值见图5和图6所示。船舶体表所受压力测值随着船-桥间距的减小而逐渐增大，船舶沿程所受压力峰值在船首到达桥墩附近时出现，此时，船桥间水流的负压区拉力和桥墩两侧涡体的压力同时作用于船体。
船舶行驶过桥墩后的受力有明显的波动，船体受涡体负压区的影响程度与涡体的瞬时形态相关，具有不确定性，与船体和桥墩尾涡交会的时机有关。
4 结论
（1）船舶运动过程中受到的艏摇力矩来自桥墩周围涡体贴近船舶产生的负压区，艏摇力矩的最大值随船桥间横向距离的增大而减少。
（2）船首与桥墩交会时船舶所受艏摇力矩达到峰值，此时的船-桥间水动力对船舶航行影响最大，是船舶航行的最不利时刻，极易导致船舶出现欠控、甚至失控，行船时应加强警惕。 （3）船体受涡体负压区的影响程度与涡体的瞬时形态相关，具有不确定性，与船体和桥墩尾涡交会的时机有关。
参考文献：
[1]方森松.连续布置桥墩周围水流特性研究[D].长沙：长沙理工大学，2011.
[2]沈小雄，程永舟，胡旭跃等.航道边线与桥墩之间安全距离的研究[J].水运工程，2004（11）：85-87.
[3]欧阳飞.桥墩周围紊流区宽度及桥梁通航孔净宽研究[D].长沙：长沙理工大学，2005.
[4]庄元，刘祖源.桥墩紊流宽度的试验研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2007（10）：846-849.
[5]何小花，陈立等.桥墩紊流宽度的试验研究[J].水利水运工程学报，2006（3）： 49-53.
[6]祖小勇.圆端形桥墩周围水流紊动特性及紊流宽度研究[D].长沙：长沙理工大学，2009.
[7]杨志军，艾万政.具有弯曲特性河道上桥梁通航宽度的探讨[J].水运工程，2007（3）：63-65.
[8] Liu Xiao-ping，Qian Dong-yue，et al. Study on the width of turbulent area around pier with ship impact[C]. Applied Mechanics and Materials （ Germany ） 2012，ISSN： 1660-9336
[9] ZHANG C X， ZOU Z J. Numerical investigation onship-ship hydrodynamic interaction in restrictedwaters[C]. Proceedings of 2nd International Conferenceon Ship Manoeuvring in Shallow and Confined Water：Ship to Ship Interaction， Trondheim， Norway， 2011.407-412.
[10]張晨曦，邹早建，王化明.驶经桥墩船体非定常水动力相互作用数值预报[J].水动力学研究与进展A辑，2012（3）：359-364.