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水利工程论文-结构-波浪-海床耦合系统中大圆筒结构的波压力响应.doc

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水利工程论文-结构-波浪-海床耦合系统中大圆筒结构的波压力响应.doc

水利工程论文结构波浪海床耦合系统中大圆筒结构的波压力响应摘要以沉入式大圆筒结构为对象,通过设计随机波浪水槽实验,测取了在单筒和连续筒两种结构型式、两种沉入深度和两种波谱输入下结构表面的动波压力分布。波面高度以及波压力历程均在频域进行分析。通过计算结构表面沿高程和沿环向的波压力谱及波压力传递函数,将单筒实测结果与基于线性绕射理论的解析解进行了比较,同时也详细对比了两种结构型式下的实测结果。文中汇报了在研究中获得的新发现及进行的相应分析,特别是在结构波浪海床动力相互作用下对波压力响应机理以及针对连续筒的研究,可为工程应用提供有价值的参考。关键词沉入式大圆筒结构波浪海床在港口工程和近海工程领域,沉入式大圆筒结构往往见于码头、防波堤以及桶形基础平台,这种结构通过深嵌于海床并主要依靠土体的嵌固作用,在风、流、冰等环境条件特别是在随机波浪的持续和长期作用下保持稳定。根据不同目的的工程应用,沉入式大圆筒既有墩式型式又有连续式型式,根据海床和海况条件的差异又有不同的沉入深度,结构表面的波压力分布以及结构所承受的土压力分布及其响应,由于结构波浪海床三者复杂的动力相互作用而变得十分复杂,研究该结构在随机波作用下的动力响应具有工程应用和学术研究两方面的重要价值。由于大尺度结构的存在可对入射波场产生显著影响,通常采用考虑散射效应的线性绕射理论而非Morison公式用以分析规则波作用下单个圆筒上的波浪力和波压力。对于大圆筒结构在随机波作用下的波浪力及波压力研究,Ishida和Iwagaki1通过在MacCamy和Fuchs线性绕射理论中引入一种线性过滤器,对作用于大圆筒的波浪力进行了计算Huntington2将线性绕射理论推广到不规则方向波,研究表明,对于突出于水面的大直径圆筒,作用于其上的总力谱可通过传递函数与波高谱相联系Raman和SambhuVenkataRao3基于MacCamy和Fuchs线性绕射理论以及叠加原理,发展了一种计算动波压力的方法,并且通过水槽实验测取波压力对此进行了考察Sundar等4通过在水槽中模拟绕射波场,测取了大圆筒表面的波压力分布并进行了频域分析,其结果与基于MacCamy和Fuchs线性绕射理论的分析结果吻合较好。本文针对沉入式大圆筒结构进行了随机波浪水槽实验,其有别于上述研究之处在于,首先,上述研究中采用的大圆筒模型均为实心且垂直固定于水槽底面,而本模型为空心壳体且为垂直沉入淤泥质海床,由于结构和海床的动力相互作用,将使动波压力响应更为复杂并带来未可预知的现象其次,本研究的重点在于连续筒布置型式,对于连续排列的柱体结构,流场条件的变化将非常复杂和剧烈,无论是理论分析和实验研究均未见相关报道。通过对水槽实验的设计,本研究测取了在单筒和连续筒两种布置型式、两种沉入深度和分别在交通部规范谱以及PM谱输入下大圆筒结构表面的动波压力响应历程,通过在频域范围分析波压力谱和波压力传递函数,比较研究了大圆筒特别是在连续筒布置型式下动波压力的响应规律。1理论分析现扼要介绍基于线性绕射理论的解析波压力传递函数,以用于对单筒实测波压力数据的比较研究。对直立于底并突出于水面的大直径圆柱,MacCamy和Fuchs5基于线性绕射理论,提出在小振幅波作用下的动波压力为1式中ρ为流体质量密度g为重力加速度h为波高d为水深ω为圆频率a为圆柱半径k2π/L为波数L为波长βm为常数,且有β01以及m≥1时βm2im其中i21Jm及J′m表示m阶第一类Bessel函数及其一阶导数Hm及H′m表示m阶第一类Hankel函数及其一阶导数,z为圆柱轴向坐标并以静水面以上为正,θ为相对于入射波方向的圆柱环向坐标,以顺时针转向为正,并以圆柱前沿为0°、后沿为180°。由式1可以直接导出关于动波压力的传递函数2动波压力谱Sppf与入射波谱Sηηf之间的关系为Sppf|TFf|2Sηηf32实验2.1实验装置实验在天津港湾工程研究所宽4m长92m的大型不规则波试验水槽进行。模型海床处于水槽中一段宽为164cm的试验段,表面与槽底基本持平,深80cm、宽164cm、长200cm,由取自天津海滨容重约16.2kN/m3的淤泥添置而成。实验中采用两种输入波谱,分别为交通部规范谱和PM谱,均保持水深为40cm,如表1所列。大圆筒结构模型由厚为0.3cm的铜板制作而成,直径40cm、高度100cm,采用两种结构布置型式,一是单筒型式以模拟墩式结构,二是连续筒型式以模拟连续排列的筒体结构。对单筒结构,采用了30cm和50cm两个沉入深度,对连续筒型式只采用50cm一个沉入深度。无论是单筒型式还是连续筒型式,均共用同一个测试筒,沿环向每隔30°布置一个波压力传感器90°处传感器以80°处代替,沿高程从上至下共布置6层传感器,其间距从5cm到15cm不等。大圆筒结构模型的筒内填料为细砂,其容重为ν16.8kN/m3、内摩擦角为φ30°。此外,还在水槽中设置波浪探测仪以测量不受扰动的入射波波面历程。在实验中对大圆筒的沉入和拔出均采用机械方式,能够保证垂直移动以尽量减小对海床的扰动。2.2实验程序分6种工况进行了随机波水槽实验,详见表1。为力求保证海床土不受前次工况实验的扰动,以充分模拟原状海床并达到海床特性在整个实验中的一致性,在前次工况结束之后,均拔出模型对淤泥进行较为彻底的处理,并令其恢复24h以后再进行下次工况的实验。考虑到在随机波作用下结构与海床的相互作用具有一段发展过程,对每次工况均以33.33Hz的采样频率连续采集3次数据,每次采集时间为240s。图1所示为实测规范谱和PM谱,图2为实测典型的波面历程及波压力历程。3结果和讨论运用所测取的波面及波压力历程数据,计算了各测点的波压力传递函数和波压力谱,将单筒的实测结果与基于线性绕射理论的波压力传递函数进行了比较,同时也将连续筒的实测结果与单筒的实测结果进行了对比研究。表1实验工况结构布置型式波谱有效波高/cm峰频/Hz沉入深度/cm实验组数单筒规范谱PM谱10100.520.58305030501234连续筒规范谱PM谱10100.520.585050563.1理论波压力传递函数沿单筒筒面的变化根据理论波压力传递函数的计算式2,本文计算了直立于底并突出于水面的单个大直径圆柱在小振幅波作用下的动波压力传递函数,绘制了在圆柱环向坐标θ0°、90°和180°处沿高程的变化以及在静水面沿环向的变化,详见图3。可以看出,在我们所关心的频率范围内,理论波压力传递函数均随高程的降低而减小,说明波压力响应随高程的降低而变小除了在静水面附近,传递函数基本随频率的增大而减小在静水面,θ90°之前,亦即沿筒体的迎波面,传递函数随环向角度的增大而减小,并明显随频率的增大而增大。此外,在实验所采用的入射波峰频,亦即0.5Hz~0.6Hz附近,无论是沿环向还是沿高程,传递函数的变化幅度都不剧烈。3.2单筒波压力传递函数与理论解的比较选取测试筒3个高程,θ0°、80°和180°处,将实测波压力传递函数与基于线性绕射理论的解析解进行了比较,图4所示为一些典型结果。

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