潮流发电栅栏对桥梁结构的影响分析
  
作者：程振兴1，张兆德1,2   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：海洋工程
   发布时间：2012/3/15 10:15:14

摘要

    利用潮汐能发电，需要单独建设水库式潮汐能拦海大坝或在海面以下安装潮汐栅栏。在未来几年，大陆与岛屿之间及沿海岛屿之间将建设越来越多的大桥，考虑在修建桥梁时将潮汐栅栏安装在桥上，这相对于单独修建潮汐栅栏来说，可以大量节约投资，但同时却会增加桥梁的载荷。本文针对二种形式的桥梁，考虑安装栅栏的桥梁和未安装栅栏的桥梁，分别建立了结构有限元模型，并计算了桥梁的应力和变形，从而分析安装栅栏装置对桥梁安全性的影响，计算结果对有关设计人员提供参考。

关键词：潮流能；发电；桥梁；强度； 栅栏

中图分类号：U664  文献标识码：A 

Analysis of Tidal Fence’s Effect on the Bridge Structure

Cheng Zhenxing1,  Zhang Zhaode1,2 

(1. School of Naval Architecture and Civil Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan, Zhejiang 316000, China；2.Zhejiang (Jiuhe) Advanced Marine Technology R&D Center,　Key Laboratory of Ship Engineering in Zhejiang Province, Zhoushan, Zhejiang 316000, China)

Abstract

　 Independent dam or tide railing in the sea should be built before the tidal energy electric power generating. In the near future, more and more bridges will be constructed between the mainland and the islands in the east of China, or between the islands. If the tidal fences are installed on these bridges, much investment will be saved than constructing tidal device independently. But the installation of the fences will increase the load of the bridge. Considering the bridges with and without tidal fences installed, two types of cross sea bridge models are built numerically. The stress and strain of the bridge structures are calculated. And the effects of the railings on the bridge safety are evaluated. The results may be useful for designing of cross-sea bridges and power generating of tide energy.

Keywords: tidal energy; electric power generating; bridge; strength; fences

1引言

    在我国可用于大规模潮流发电的海域主要分布在浙江、福建一带沿海，这也是世界上潮流能资源最丰富的地区之一。例如在舟山海域[1]，夏季大潮期实测的最大流速均在2kn 以上, 最大者可达7 kn，小潮期的最大实测流速也在1 kn以上, 最大者可达3kn以上，可见该海域的潮流能具有非常可观的开发价值。利用潮流发电，对解决电力不足的能源瓶颈问题，保护沿海岛屿的环境，以至于该地区的可持续发展都有深远的影响。在利用潮流能发电方面，张勇等人[2]就潮流能利用现状，总结了世界利用潮流能发电的先进技术，表明潮流能发电具有良好开发和利用前景；苑红凯等[3]研究了大桥桥面结构特点对应力分布的影响；吉林等人[4]对斜拉大桥建模并进行模态分析；邓翊华[5]针对大跨度悬索式管桥进行静动态分析。

潮汐栅栏是一种潮流发电的装置，它可以放置在小岛之间或大陆和岛屿之间的水域内进行发电，如果将大桥建造和设计融为一体，在桥墩之间放置潮汐栅栏，可以大大降低单独修建潮汐能发电装置的成本。但潮汐栅栏放置在桥墩之间，会增加桥梁的载荷。本文从结构安全的角度入手，参考相关有限元模拟计算斜拉箱体梁大桥的文献，建立钢筋混凝土桥梁和斜

拉桥模型，利用有限元软件对桥墩之间设置潮汐栅栏的跨海大桥建立有限元模型，并计算海上波浪环境下桥梁结构的受力与变形，分析栅栏安装后对桥梁的影响作用，对相关设计人员提供有用的参考。

2大桥桥墩的波浪载荷计算

大桥桥墩可考虑为小尺度构件，其受波浪运动的作用，可根据莫里森公式计算拖曳力和惯性力并按同相位合成[6]。

由莫里森计算公式

式中：为拖曳系数，由试验测定；

    为海水密度；

      为单位长度桩柱在垂直于矢量为方向上的投影（）;

      为与构件轴向垂直相对速度矢量（）；

      为惯性力系数，由试验测定；

    为单位构件长的体积（）；

      为与构件轴向垂直相对加速度（）；

根据相关资料，公式中的相应参数为：波高为5米，波浪周期T=15s，拖曳系数为2，惯性力系数为2.19，海水密度取为。

3　钢筋混凝土大桥的数值模拟

如图1所示，为钢筋混凝土桥梁模型。其主要参数为：桥面长为300m,宽为12m,桥面由“H”形钢筋混凝土柱组合结构桥墩支撑，桥墩与桥墩之间的间距取为25m，水深为15米，水下部分的桥墩为底面直径3m的圆柱体，桥面离海平面的高度为10米,参考固定式海洋平台规范[7]，桥墩做为桩可以简化为泥面下6～8倍桩径处进行约束，这里取6倍桩径。

图1 钢筋混凝土桥梁的有限元模型

利用莫里森公式可求得，每个桥墩所受波浪力载荷为F =89555.2N。若在桥墩之间安装栅栏，假设栅栏的高度为5m，由于波浪力影响，产生一对桥墩的作用力，利用莫里森公式可以求得因栅栏受到的波浪力对每个桥墩的载荷F= 433096.5N。假定桥面所受载荷按最大载荷计算为4kPa的均布压力。

对未安装和安装潮汐栅栏两种工况，利用PATRAN进行有限元分析，分析应力和变形。其中未安装潮汐栅栏时桥梁的弯曲应力云图如图2所示；安装潮汐栅栏时桥梁的弯曲应力云图如图3所示。未安装潮汐栅栏时Y轴方向桥面变形云图如图４所示；安装潮汐栅栏时Y轴方向桥面变形云图如图5所示。

图2未安装潮汐栅栏大桥弯曲应力云图　　　        　 图3安装潮汐栅栏大桥弯曲应力云图

图4未安装潮汐栅栏时Y轴方向桥面变形云图　　图5安装潮汐栅栏时Y轴方向桥面变形云图

未安装和安装潮汐栅栏二种工况下大桥的最大应力和应变的计算结构见表1所示。

表1安装栅栏前后大桥的应力和变形对比

在两种工况下的大桥桥墩的弯曲应力和桥面的Von Mises等效应力用条形图表示，如图6所示；在安装和未安装栅栏两种工况下，桥面的最大应变如图7所示。

图6 钢筋混凝土大桥应力对比图　　             　图7钢筋混凝土大桥桥面变形对比图

从计算结果得出，安装栅栏前后对钢筋混凝土大桥受力有影响，桥墩弯曲应力增加量为安装前的52%，桥面Von Mises应力增加量为原来的9%；桥面变形主要是Y轴方向桥面变形，最大变形增加量为安装前的534%，Z轴方向桥面最大变形增加量为安装前的0.3%。并且要对桥面，特别是桥面中间位置进行加强。

4　斜拉桥的数值模拟

斜拉桥的有限元模型如图8所示，主要尺度为：桥梁为长660m，其中主跨为340m,宽为16m；拉索取为截面是直径为0.07m的钢索；桥墩水面以上为横截面矩形的钢梁结构，且水面到桥面距离30m,水面以下是直径为5m高为30m的实心圆柱体，泥面以下同样在6倍桩径处进行约束。

图8 斜拉桥结构的有限元模型

利用莫里森公式可求得，每个桥墩所受波浪力总载荷F =323259N；若在桥墩之间加栅栏，假设栅栏高5m，由于波浪力影响，产生一对桥墩的作用力，利用莫里森公式可以求得每个桥墩受到的由栅栏传递的波浪载荷F=2183053N。将桥面所受载荷取为总受力为4kPa的均布压力。

图9未安装潮汐栅时栏斜拉桥的轴向应力云图 　　图10安装潮汐栅栏时斜拉桥的轴向应力云图

图11未安装潮汐栅栏时Y轴方向桥墩变形云图　　图12安装潮汐栅栏时Y轴方向桥墩变形云图

考虑未安装和安装潮汐栅栏二种工况，对有限元模型进行分析，计算桥梁的应力和变形。安装栅栏前后大桥的应力和变形对比结果分析如表2所示。

表2安装栅栏前后大桥的应力和变形对比   

在两种工况下斜拉桥的应力和变形用条形图表示，如图13、图14所示：

图13 斜拉桥应力对比图　　　                　图14桥墩变形对比图

由计算结果得出，安装栅栏前后对斜拉桥受力点位置并无影响，拉索轴向应力增量为安装前的5%，桥墩弯曲应力增加量为安装前的33%，桥面Von Mises应力增加量为原来的4%；桥墩变形主要是Y轴方向，最大变形增加量为安装前的120%。从受力位置看应对桥墩水上部分和水下桥墩连接点进行加强，并且要对桥面特别是桥面中间位置进行加强。

5　结论

利用数值模拟计算可以看出，对于钢筋混凝土大桥来说，栅栏的安装会明显增大桥墩的弯曲应力，而对桥面的应力大小影响不大；同时，栅栏的安装会大大增加桥面的横向变形，而对其它方向的变形则影响不大。

对于斜拉桥来说，栅栏的安装也会增大桥墩的弯曲应力，而对桥面的应力大小影响不大，对拉索应力的影响最小；同时，栅栏的安装也明显地增加了桥面的横向变形，而对其它方向的变形则影响极小。

本研究受2009年浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）项目和浙江海洋学院科研启动经费资助。

6　参考文献

[1]曹欣中,唐龙妹,张月秀.宁波、舟山内海域实测海流分析及潮流场的数值模拟.东海海洋.Vol.14, No.2, 1996.

[2] 张勇,崔蓓蓓,邱宇晨.潮流发电-一种开发潮汐能的新方法.能源技术. No.4, 2009.

[3] 苑红凯,邹永红,唐巧,宋小平.特殊桥梁桥面铺装结构力学性能仿真分析.特种结构. No.4,　2008.

[4] 吉林, 夏国兴,欧庆保. 润扬斜拉桥有限元模型的建立和模态分析.能源技术. No.4,　2009.

[5] 邓翊华.大跨度悬索式管桥静动态分析. 油气储运. Vol.29, No.5,　2010.

[6] 孙东昌,潘斌.海洋自升式移动平台设计与研究.上海交通大学出版社. 2007.

[7] 中国船级社.浅海固定平台建造与检验规范,人民交通出版社.2004.