（岩土工程专业论文）涌潮作用下钱塘江排桩式丁坝的现场测试与数值分析.pdf

摘要 钱塘江排桩式丁坝从应用以来，它的受力问题一直没有很好的解决。本文以 现场试验为基础，对桩式 一坝研究中涌潮压力和桩身内力两个问题进行了比较系 统的研究。首先介绍了试验的基本情况。然后整理了涌潮压力的试验数据，得出 了涌潮压力随时间及空问分布的一些情况，并在理论上进行了计算分析，理论计 算结果与实际情况吻合，证实涌潮压力在垂线方向上近似线性分布，随时问的变 化是刚到达时对_ ：r 坝的破坏力最大。接下来以现场测试的涌潮压力作为丁坝的荷 载，从静力和动力两方面对丁坝的桩身内力进行分析研究。因为丁坝的设计多采 用静力计算，在静力计算时运用多种不同的方法，把计算结果与实测资料进行对 比分析，确定最适合丁坝设计的计算方法。在动力计算时，选用哈定一达尼维奇 ( i l a r d 一d r n e v i c h ) 双曲线模型，假设土为粘弹性体，并考虑其动力非线性性 质，用哈定和达尼维奇的经验公式计算动剪切模量和阻尼系数。计算结果显示， 动力作用时，桩身最大内力比静力作用要大，在实际工程中，若用静力计算，要 乘以安全系数。最后对进一步的工作提出了一些建议。 关键词：涌潮，数值计算，排桩式丁坝，现场测试，常数法，m 法，有限元法 内力 i a b s t r a c t t h em e c h a n i s mo fq i a n t a n gr i v e rp i l es p u r - d i k eh a sn o tb e e ns o l v e dp e r f e c t l y s i n c et h ea p p l i c a t i o no ft h es p u rd i k e t l ”b o r ep r e s s u r ea n dt h es t r e s si nt h ep i l e s p u r d i k eh a sb e e ns t u d i e db a s e do n i n - s i t ut e s t f i r s t l y i tg i v e sb a s i ci n f o r m a t i o na b o u tt h ei n s i t ut e s t s e c o n d l y ，b a s e do nt h e d a t ew h i c hi sc o l l e c t e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s i tg e t st h ed i s t r i b u t i o np r i n c i p l eo f t h eb o r ep r e s s u r ev a r i e dw i t ht i m ea n ds p a c e ，a n dd o e sc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s t h e o r e t i c a l l y t h ec o n s i s t e n c yo ft h et h e o r e t i cr e s u l t sa n dt h er e a l c o n d i t i o np r o v e s t h a tt h eb o r ep r e s s u r ei sa p p r o x i m a t ei nl i n e a rd i s t r i b u t i o nv e r t i c a l l y , a n di tr e a c h e st h e d e a kv a l u ea tt h em o m e n tw h e nt h eb o r eh i t st h ed i k e s e c o n d l y , w i t ht h e m e a s u r e db o r e p r e s s u r e a st h el o a d a c t i n g o nt h et h e s p u r d i k e i t s t u d i e sa n da n a l y z e st h es t r e s si nt h e p i l es p u r _ d i k es t a t i c a l l y a n d d y n a m i c a l l y a sm o s to ft h es p u r d i k ed e s i g n sa d o p ts t a t i cm e t h o d ，v a r i o u ss t a t i c m e t h o d sa r eu s e dd u r i n gs t a t i ca n a l y s i s ，a n dt h e nc o m p a r i s o nb e t w e e nc a l c u l a t e da n d m e s u r e dr e s u l t si sm a d et od e t e r m i n et h eb e s tw a vf o rd e s i g n so ft h es p u r - d i k e w h i l e i nd y n a m i ca n a l y s i s a s s u m e dt h es o i l i sv i s c o e l a s t i ca n dt a k ed a m p i n gc o e f h c i e n ti n t o c o n s i d e r a t i o n h a r d i n d r n e v i c hh y p e r b o l i cm o d e la n de m p i r i c a lf o m m l aa l ea p p l i e d t oa c q u i r ed y n a m i cs h e a rm o d u l u sa n dd a m pc o e f f i c i e n t i tt u r n so u tt h a tt h es t a t i c t o r c eh a sl e s se f f e c t0 1 1t h es p u r - d i l i et h a nt h ed v n a m i cf c i r c ed o e s t h e r e f o r e s a f e c o e f f i c i e n ts h o u l db em u l t i p l i e di ns t a t i ca n a l y s i si nt h ed e s i g no f p r o j e c t s k e yw o r d s ：t i d a lb o r e ；n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ；p i l es p u r - - d i k e ；i n - - s i t ut e s t ；c o n s t a n t m e t h o d ；m m e t h o d ；f e m ；s t r e s s i i 塑翌查兰婴二i ：兰篁堡塞 吕江2 0 0 4 1 1 引言 第一章绪论 _ ：r 坝作为江道整治、护岸工程中的常用建筑物，其在挑流促淤、保滩护岸 中的作用已得到了广泛的认同。钱塘江两岸建有丁坝数百座，至今仍发挥着广 泛的作用。钱塘江海塘原来修建的都是堆石丁坝，且一般采用淹没r 坝。这种 传统形式的丁坝最大的缺点就是基础偏高，当遇到河床刷深，在低潮位下一定 范围内的散抛块石随涌潮强劲冲击下容易失稳而冲毁，尤其是以坝头和上游平 台的防护最为困难。上游平台是在钢筋笼抛石的基础上浇注混凝七而成，当钢 筋笼抛石基础被潮水刷深后，很容易失稳导致下游平台的破坏。涌潮在低丁坝 坝顶溢流，发生水跃，在坝身上游坡脚形成一条平行于坝身的冲刷坑，导致坝 体坍塌。堆石丁坝坝头是环梁结构，坝头基础极易被潮水及上游江水刷深；坝 头频频遭受破坏，使坝身缩短，进而全坝被毁。坝身除松散块石难御强涌潮冲 击外，曾在坝头砌筑巨大的浆砌块石体，保护丁坝坝头，但砌体埋置深度有限， 当砌体下块石冲失之后，砌体就倾斜沉滑而破坏。也曾用钢筋笼焊成块石集装 笼，虽能应急，但仍有f 沉离位、笼身易变形解体、不耐久等缺点。排桩式丁 坝从根本e 扭转了抛石丁坝的缺点，以钢筋混凝土板桩作为丁坝基础替代传统 丁坝的堆石基础，它能让丁坝在钱塘江中“生根”维护稳定。桩式丁坝的基础 深，自身能够在涌潮及潮水冲刷作用下维持稳定，与传统的堆石丁坝相比，能 更好的承受涌潮的冲击，不易损毁，且运行期维修工程量小，避免了频繁抢险 的弊端。 但是目前排桩式丁坝设计过程中的涌潮压力问题在工程界没有定论，丁坝 的受力特性也不明确。为了明确丁坝的受力机理，合理进行丁坝得设计及施工， 有必要对j 坝进行系统的分析研究。 1 2 涌潮动水压力的研究现状 目前对涌潮压力的研究分为现场试验和理论研究二种。钱塘江涌潮的现场测 塑坚尘兰堡二! 二堂丝堡塞 吕江2 0 0 4 试，进行了很多次，但是因为钱塘江涌潮汹涌，测试环境恶劣，成功的次数不多。 涌潮压力的理论研究方法，通常有大尺度和小尺度两种。到目前为止，研究方法 以大尺度为主。凶为大尺度方法理论上比较成熟，计算比较方便，而小尺度计算 方法很多参数难以确定，计算复杂。下面简单介绍一下两种理论方法的研究现状。 1 2 1 按大尺度问题计算 当海洋巾产生的天文潮完全摆脱引潮力而进入河口、内海、港湾时，它就转 变为仅受河口状与河床地形影响的潮波。所以按大尺度计算涌潮压力时通常采用 以下几种方法： a 浅水长波理论 潮汐波是长波，钱塘江潮是非证规半日潮。钱塘江平均水深远远小于钱塘江 潮的波长。凶此，可利用浅水长波理论来计算钱塘江的涌潮压力。 浅水长波理论假设涌潮波的会向速度远远小于其水平速度而被忽略下计其 压强分布按以波面为零点的静水压强规律分布，即 p = p g h 式中h 是指波面下水深，p 水的密度，g 是重力加速度 b 水力学理论 在水力学理论中，涌潮压力由两部分组成：一是静水压力。其值同浅水长波 理论；二是由于面波动引起的动水压力部分。即由于速度的冲击所引起的速度水 头。因此涌潮出力可按下式计算 p ：y ( + 兰) 2 9 式中u 是涌潮波的水平行进速度 c 驻波理论 驻波是振动波，不存在流量的传输。驻波作用在直立墙上的波浪力可由 s a i n f l o w 公式计算。 当鲁嘉和万d = 。1 。2 ，波浪力的分布如图1 1 所示： ：丝c o t h 2 7 r d 塑鲨查兰堡! ：兰竺堡兰 吕江2 0 0 4 p 一2 旯h 专磊 c o s h p 。= ( 办+ 五d ) 揣 当鲁j i o f l l 0 5 要 。1 ，波浪力的分布如图1 2 所示： p 。= y h 功卅h 专丽 c o s n c o s h 2 i c ( d - z ) n 2 y h _ 荔r c o s n 式中，d 是直立墙前低潮位时的水深；h 是涌潮高度；a 是波长。其余符号见图 11 和图17 低潮仳 、 1 、 波浪力l 静水压力 工一刁l p d p d 图i 1 驻波计算示意图 到1 2 驻波计算示意图 由于s a i n f l o w 波采用的是有限水深中的椭圆摆线立波理论，故此处的波长 是指第一涌潮波的波长。涌潮压力是指以低潮位为零点的静水压力与波浪力之 和。 d m o r i s o n 公式 在实际的工程计算中，小体积上( d 2 0 2 ，式中d 为柱体迎流宽度) 的 塑坚叁兰塑生堂垡堡兰 波浪荷载都用m o r i s o n 公式计算。当波浪作用在等截面的柱体上时，波浪力的 分布如图1 3 ： 、电，掣k 。：掣心 丝。+ s i l l l l 兰些 五五 8s i n h 鱼堕 。2 玎邑，2 7 r z k = 五 式中p d m 。是绕流阻力；p t 是惯性力；c 。是阻力系数；c 0 是惯性力系数；涌潮 压力是指以低潮位为零点的静水压力与波浪力之和。 图1 3 1 2 2 按小尺度问题计算 从小尺度问题看，涌潮是一种带自由面的复杂的三维紊流问题。对其压力的 计算随着科学技术的不断进步，对流体的性质及运动规律的研究也会不断深入同 时， _ | 于流体运动的极度复杂，人们对它的认识还存有很大的局限传统的流体 力学一般将流体视为连续介质，并应用经典的牛顿力学及微积分的研究方法，人 4 塑坚查堂堡：l ：堂篁丝塞 们早期建立n s 方程( n a v i e s - s t o k e s 方程) 动的封闭方程组。 r 江2 0 0 4 它与连续性方程式构成描述流体运 理论上讲，运用适当的初始条件和边界条件，求解卜述方程组就町得到对流 体运动图景的完整描述。但因流体运动的复杂性以及受数学手段的限制，目前只 能对极少数经过理想简化的流动情况求得解析解。因此，目前的研究主要是用离 散方法求亲流的数值解。数值解是近似解，采用适当的离教格式和求解方法，可 以得到在一定程度卜满足工程要求的结果。经过大量的实践，求数值解被认为是 在当前技术条件下有效的办法。又由于亲流的复杂性及当前测量技术等的原因， 无法对实际亲流的n s 方程提供适当的初始条件和边界条件；同时，受计算机 技术的影响，目前仍无法直接求解n s 方程。为此，采用了统计方法，并以雷 诺引入的时均法则建立的紊流雷诺方程应用最为普遍。 经过长期的研究，人们对紊流运动的规律提出了各种各样的理论和假设，解 决了一些实际问题。但至今仍不能建立一套完整、真实描述紊流机理与规律的亲 流理论。要解决这一问题，还有待于科学技术的进一步完善和发展。现代的流体 力学研究者们已将分形及混吨理论等新的数学理论应用于这一研究领域，并取得 了一定成果。此外，抛开连续性假设，建立全新的离散流体模型，或许能解决一 些当前尚无法解决的问题，新近发展起来l b m 方法是这方面工作的典型例子 1 。2 1 。 a 流体力学中常用的数值离散方法 流体力学中常用的数值离散方法有有限差分法( f d m ) 1 3 j ；有限单元法( f e m ) ； 控制体积法( f v m ) 4 - 6 】；边界单元法( b e i l i ) ：有限分析法( f a m ) 眇】；l a t t i c e b o l z t m a n n 法f l b m l 【1 。2 1 。 这几种方法并不是相互孤立、毫不相关的。它们之间有着一定的联系，一方 面表现为解决问题思路的借茶和改造，如有限体积法就吸收了有限差分法与有限 单元法的思路。另一方面，在解决具体问题时，除了选择单一的方法外，还可以联 合采用多种不同的方法，如区域分裂法1 0 1 ，分步法 ，和差分结合有限元法 1 2 - 1 3 1 等。 b 水流数值模拟中常见问题的处理方法 ( 望! 望生堂塑! ：兰些笙兰 吕江2 0 0 4 1 紊流方程的封闭 原始的n s 方程具有4 个独立方程和4 个未知量，方程组是闭合的，但 方程组难以求解：经雷诺引入时均法则建立了紊流雷诺方程后，增加了雷诺应 力项，由此产生了紊流方程的封闭问题【l “。目前常用的紊流方程封闭方法，多 以b o u s s i n e s q 提出的紊动粘性和紊动扩散概念为基础，采用不同的微分输运方 程进行封闭。紊动粘性和紊动扩散概念的引入将紊动应力和紊动输运量的模拟 转化为确定紊动粘性系数v 。和紊动扩散系数r 的分布。按微分输运方程个数的 不同划分为零方程、单方程、双方程和多方程模型等不同的紊流模型。常用的 零方程模型有v 。和r 为常数的模型以及混合长模型 1 5 - 1 7 ；紊动动能的输运方程 常用于单方程模型的封闭”1 ；目前流行的k s 模型是典型的双方程模型 1 4 1 ；应 力一通量方程模型用1 2 个微分方程封闭口 ；应力一通量代数模型用1 0 个微分 方程封闭【l ”。这些模型各有优缺点，适用范围也不尽相同，目前还很难建立一 种较为理想的紊流模型。因此，上述各模型都有其存在的价值。好的紊流模型 应能尽量真实的模拟实际的流体运动细节，并适应多种不同的流体状况，具有 良好的通用性，理论简明，形式简单，易于理解和编程计算。目前，应用最为 广泛的当属k s 模型【2 0 - 2 6 1 ，它形式简单，能真实模拟多种流态，并在应用中得 到了检验和完善。在标准的k 一u 4 模型基础上，又建立了许多改进型的七一s 模 犁【2 7 1 28 j 。 2 自由水面的处理 自由水面是流体的边界，并对流体的流动有着很大的影响。由于自由水面的 边界条件往往随时间不断变化，难以确定其位置，给流体自由水面的模拟和计算 网格的划分等带来了极大困难。在实际工程应用和研究工作中，采用刚盖假定、 m a c 法( m a r k e l 一- a n d - - c e l lm e t h o d ) 、v o f 法( v o l u m eo ff l u i dm e t h o d ) 、l i n c 法( l a g r a n g i a nl n c o m p r e s s b l em e t h o d ) 来模拟自由水面。其中v o f 法是在m a c 法 的基础上发展起来的，它改变了m a c 法中对全部流场进行标记的做法，只对自 由表面进行跟踪。陔法定义了一个体积函数f ，当单元体为流体充满时，f 值 为l ；单元体为空时，f 值为0 ；单元体含自由表面时，f 值介于0 与1 之间， 具体数值由单元内流体体积的比例确定 2 9 - 3 1 。由于该法用体积函数厂替代了标记 塑坚查竺婴1 兰些丝兰 点，火量节省了计算机内存和训算时间。但因不能准确描述自由表面的实际方向， 而是将单元体内的自由表面简单地处理为水平或垂直面，故导致其计算精度下 降。 1 3 桩在横向动荷载作用下的动力响应 排桩式丁坝在涌潮作用下的动力响应，实质是群桩在横向动荷载作用下的动 力响应问题，与海洋平台、防波堤等一些海洋建筑物中有关桩的横向承载的研究 相似。很多人在这方面的工作已经做了工作。下面就简单介绍一下桩在横向荷载 作用 i 的研究现状。 1 3 1 单桩横向振动研究的现状 群桩结构物的横向动力响应的研究以单桩横向动力响应的研究为基础。单桩 基础的横向振动问题的研究虽然开展得较早，但其新的内容不断出现，使得这一 课题的研究仍然吸引着广大的研究学者。桩基在施工和使用过程中，会受到不同 形式的水平向动荷载的作用，而在这个作用过程中桩土是一个相互作用的体系， 桩上相互作用的复杂性使得这一问题变得难以把握。纵观桩基横向振动研究的发 展过程，它实际上是随着桩卜相互作用的研究的发展而发展的。 水平向动荷作用下的桩基是一个复杂的桩上共同作用系统，近几十年来国内 外学者对这一课题进行了，一泛的研究。其分析理论可归纳为：a 解析方法；b 离 散模型法；c 有限元或边界元法。这些方法主要是基于桩周土被如何模拟而分 类的，分析过程中桩一般被模拟为一维杆件。 a 解析方法 解析方法在线弹性或粘弹性均匀连续介质中的三维波传播理论的基础上可 给出地基反力的显表达式，而且它能表示出几何阻尼和土层共振现象。但是它不 能反映桩土界面上的几何非线性。m n o v a k l 等将上介质考虑为线粘弹性水平 成层半空f 白j ，并引入平面应变假设，即每一层土都是由一系列相互独立的无限薄 层组成的，而假定桩为完全弹性的，截面为圆形，且与桩周土完全接触3 3 。”。通 塑垩查堂塑兰堡堡兰 过求得成层地基的水平向的阻抗系数，进而得到桩在水平向谐和荷载作用下桩身 的动力响应。群桩的动力响应也可通过计算群桩的动力阻抗而求得。韩英才在其 基础上进行了大量的试验。 b 离散模型法 在桩基横向振动的分析方法中，最常见的要数w i n k l e r 地基梁模型法了，目 前它已广泛j ； j 于桩基的设计和分析中。这种方法是将桩周上用分布的彼此相互独 立的弹簧和阻尼器代，因而可以考虑上体随深度的变化甚至非线性。同时它也存 在着一定的局限性，如弹簧和压器系数的取值问题一直都没有很好的解决，土中 应力波的传播与土的屈服的发展和桩土面上破坏的发生等都不能被详细的描述。 尽管存在这些缺陷，但是该方法简单易行，因此国内外学者依然在它的基础上开 展了许多颇有意义的研究工作。 由于桩基在水平向瞬态荷载作用下的动力响应较为强烈，因此分析桩基的瞬 态动力特性有较大的意义。陈云敏等分析了打桩过程中由于桩锤偏心而引起的预 制桩的横向振动，并研究了激振强度、桩径、土的性质等因素对桩基动力响应的 影, l a j t 3 6 - 3 7 。对于深梁和以剪切变形为主的梁来说，传统的e u l e r - - b e r n o u l l i 粱理 论是不适用的，因此王宏志等t i m o s h e n k o 梁理论的基础上用传递矩阵法求解了 单桩基础在桩头作用一瞬态荷载时的横向动力响应【3 8 。 实际工程中，桩承结构在强烈水平力或力矩作用下，其桩上系统经常呈现为 非线性甚至可能产生桩土滑移或脱离，此时采用w i n k l e r 地基梁模型法分析会与 实际情况有较大出入。 凼此寻求考虑桩土非线性及滑脱的方法是很有必要的，但是又是十分困难 的。目前，主要有两种近似方法：一种是m a t l o c k 提出的由非线性的离散模型、 阻尼器及摩擦单元组成的集中质量模型；另一种是n o v a k 和韩英才提出的边界 层模型 3 9 。4 0 。该模型在桩的周围假设一圆环柱状消弱区，土在区内与区外具有不 同的力学性质，调整内环消弱区中土的剪切模量、材料阻尼和区内厚度可以模 拟土的非线性及滑移。 c 有限元或边界元法 塑竖叁堂塑! 堂垡堡苎 有限元法除了能较好的描述土中应力波的传播外，也为处理土性的变化和地 震运动的空间变化提供了很大的灵活性，它也能考虑桩周土的非线性，但是这一 方法需要大量的计算工作。赵振东等通过建立滑移界面单元模拟了桩土间的滑移 和分离，从而较好的分析了单桩基础在侧向瞬态荷载作用下的非线性动力性能。 边界元法一般仅通过离散桩土界面来描述士性，而桩仍然被看成是一维杆 件，因此同有限元相比，它计算相对较为经济。s m m a m o o n 等采用两种边界元 方法分析了单桩的横向瞬态振动，并与l a p l a c e 变换法进行了比较4 “。z x l e i 等用l a p l a c e 或f o u r i e r 变换法、边界元法研究了埋詈在层状半空间中的单桩基础 在水平向瞬态荷载激励下的动力响应 4 2 】。 迄今为j r ，火量关于桩基振动的研究都是在频域中展开的。理论上讲，频域 方法更适合于分析稳念振动。然而大量的实际桩基动力问题都属于瞬态振动，如 地震、爆炸、撞击所产生的振动。一般来说，时域方法是求解非线性问题和瞬态 的结构土相互作用问题的唯一有效途径。因此，寻求较理想的时域分析方法 是非常必要的。n o g a m i 等第一次发展了分析桩基横向振动的时域方法“。 1 3 2 群桩结构横向振动研究的现状 群桩结构的横向振动是在单桩横向振动的基础上进行的。钱塘江丁坝为前后 双排桩丁坝，中间为堆石，上面再浇筑联系梁，它的结构性比较强，如果我们分 析的时候将它作为单桩来分析，那么与实际情况相差太大，分析结果不够准确。 所以在计算和分析的过程中，我们要作为群桩来考虑。目前，群桩的研究可大致 分为以下几种情况。 a 群桩刚架结构 目前的设计中，对于群桩的刚架结构在侧向瞬态荷载作用下的动力响应的分 析仍然局限于拟静力法，这种方法采用位移法或力法求出结构在最大荷载作用时 的应力作为设计的参考【4 ”。由于它忽略了土的粘滞阻尼和结构的惯性力，并用土 的静刚度代替其动刚度，因此计算结果难免与实际情况有较大出入。 除此之外，各国学者对这一问题也作了一些其它的卓有成效的工作，如： b o g d a n0 k u z m a n o v i e 等对桥桩基础在考虑船撞击时的设计作了进一步的探讨， 并通过试验提出了撞击荷载的表达式 ”1 ；陈云敏等分析了海洋栈桥结构在侧向 塑坚查兰堡! ：兰篁堡兰 冲击物体作用下的动力响应，这种方法先得到单桩传递矩阵的表达式，然后通过 动能定理和牛顿迭代法求出冲击物体的撞击力，并同时求得整个结构体系的动力 响应；j o s e p hp e n z i e n 等对长桩桥墩结构进行了地震分析；g e o r g em y l o n a k i s 等分析了地震作用卜的十桩一桥的相互作用 4 7 】。 b 群桩框架结构 由于框架结构单元众多，加上桩土相互作用的复杂性，群桩框架结构的瞬态 动力问题的研究比较困难。这类问题的分析实际上是以桩土相互作用分析和框架 结构的动力分析为基础的。下面介绍框架结构动力分析的研究情况。 有限元方法( f e m ) 是框架结构动力分析的一种重要方法。这种方法通过建 立位移和质量的形函数而得到各单元的刚度矩阵，进而求得整个结构体系的动力 n 向应。众所周知，这种方法要对大量的单元进行计算，特别是高频的时候，从而 需要较长的计算时间更有甚者，与相对参数的不确定比，自振频率的相对间隔较 大时，有限元方法的模态分析对于频率特征是受限制的。理论上，等效连续方法 和传递矩阵法可以克服这一困难【4 9 1 。 等效连续方法( e c m ) 通过确定连续模型的等效结构的属性，比如等效连续 模型和原始的不连续模型都具有的结构和动力的行为，可以将不连续的结构等效 为连续的结构。这种连续方法为不连续结构提供了一系列的结构动力方程，从而 通过已有的求解方法求解。通常等效连续方法在低频时求解能提供足够的精度， 而在高频时其解往往是不精确的。 传递矩阵法( t m m ) 应用起来非常有效，特别是对一维结构。然而，一般来说， 绝大多数空问结构都是二维甚至三维的，这时，采用这种方法分析结构的动力响 应就有一定的困难。这种方法首先要建立单元的传递矩阵方程( 状态向量方程) 然后通过此传递矩阵方程( 状态向量方程) 将各个单元连接起来，最后求解整个 结构的动力响应。 一般来说，通过快速f o u r i e r 变换和反f o u r i e r 计算方法来求得结构响应的 高精度解的方去可称作谱分析方法( s a m ) 。u s i kl e e 等在有限元方法和谱分析 方法的基础上提出了谱单元法( s e m ) s o l 在传递矩阵法和谱分析法的基础上提 m 了谱传递矩阵法( s t m m ) ”“。 塑坚尘堂塑：堂竺堡兰 鲍办兴在近几年提出了一种“回传射线矩阵法”。，这种方法可以用来分析 桁架和框架的瞬态动力响应。它采用波动理论来分析结构的动力问题。王宏志曾 用此方法分析过单桩基础在瞬态荷载作用下的横向动力响应。 r a y m o n dj n a g e m 和j a m e sh w i i a m s 提出了求解二维或三维格子结构动 力响应的新方法传递矩阵和结点耦合矩阵法”3 l 。这种方法先建立杆单元的传 递矩阵格式，然后通过结点的耦合矩阵将各单元的状态向量写成总的刚度矩阵形 式，求解此大矩阵便可得出结构上各点的动力响应。这种方法求解形式简单，并 且通过与有限元方法和传统的传递矩阵法比较后发现，其具有更好的计算精度和 效率。这是因为有限元方法有上述的缺点，而传统的传递矩阵法会产生累计误差。 以上这些方法都是在频域中进行分析的，对于结构的瞬态响应求解，只需进 行快速反f o u r i e r 变换即可。但是理论上讲，频域方法更适合于分析稳态振动， 因此针对瞬态荷载作用下的结构的动力问题，迫切需要时域的方法来进行求解。 i 4 本文工作 鉴于目前工程应用和理论研究的需要，本文以现场试验为基础，结合前人 研究的一些成果，运用数值计算的方法，完成如下的工作： a 根据现场测试结果，得出涌潮压力的一些基本的规律。 b 运用紊流理论，对涌潮进行数值模拟，计算涌潮压力随空间及时问的变化 规律，并与实测值进行对比。 c 运用不同方法对丁坝进行静力分析，并结合实测数据，比较各种计算方法 的优缺点。 d j _ f ；| 有限元计算方法对涌潮冲击j 坝进行动力响廊分析，并与现场实测值进行比较分 析。 够塑翌查兰堡i 兰垡堡墨 第二章排桩式丁坝受力特性现场测试 为了更好的研究丁坝在涌潮作用下的受力状态，进行了此次大型的现场测 试。但由于钱塘江涌潮汹涌，现场测试环境恶劣，难度很火。以前也进行过类似 的测试，终因环境太差，试验的仪器成活率很低，而无法得到系统的第一手资料。 本次测试吸取了历次试验失败的教训，在试验之前进行了详细的研究，特别是关 于仪器及导线保护方面，下了很大的功夫，确保试验获得圆满成功。 2 1 测试设备的选用 选用压阻式液位变送器作为主要的动水压力传感器，它具有可靠性高、长期 稳定性好、故障率低、安装使用方便等优点，广泛应用于液位测量和控制，其精 度等级达0 5 。钱塘江涌潮汹涌，夹杂物较多，为了能够采集到足够的有效数 据，还把钢玄式传感器作为另1 一套动水压力传感器，以确保测试成功。另外，在 丁坝的排桩里预埋了应变片，以检测涌潮过程中哪一时刻对丁坝的破坏力最大； 在坝面水压力测试点附近还埋设tj 2 n 速度测试仪( 其输出信号经二次积分可转换 为丁坝的位移) ，用以检验测试涌潮压力的正确性。 2 2 测试设备的布置 排桩式丁坝平面图见2 1 。试验内容包括涌潮压力，桩身内力，土压力，丁 坝位移等，总共1 0 0 多个测点。详述如下： 餐塑翌叁堂塑j ：兰竺堡塞 图2 1 测试丁坝平面布置图 m i l i & 4 自h ( # 目) * 斟f 舯i # _ 试桩 “口：“n 创1 孙 o r t h l “。 h _ 正i 二h 二1 u m 月日 o 1 ir - ( ：1 - # # 口月“ = 屯。 2 2 1 整体结构孔压、土压力、连系梁内力及砼内力 在丁坝三个典型断面i 、断面i i 和断面i i i 布置测量点。试验剖面测点布罱图 参见图2 1 。 2 2 1 _ 1 动水压力 动水压力测点布置在断面i 和断面i i i ，测点数为1 2 个。 动水压力测量是目前的难点。测量传感器一般选择投入式液位变送器，但其 安装要求比较高。另外，涌潮夹带的泥石流会直接冲击探头，所以必须设保护套。 但是要求尽量不影响原有的水流情况。布置详图2 2 液位计的灵敏度应能充分感受动水压力，量程选择适当，一般范围定在 0 1 0 0 k p a 。 塑里丛堂堡! 鲎竺丝苎 吕江2 0 0 4 j 。等咚 涌朝动水压力测点布置图五 图2 2 涌潮动水压力测点布置图 2 2 1 2 土压力 土压力测点布罱在断面i 、断面i i 和断面i i i 的各两个桩的前面( 各2 个测试 点) ，共计1 2 个测点。位置分别在滩面线以下1 5 m ，3 0 m 处。 土压力盒的埋设须由有埋设经验的人员指导完成。 土压力盒的量程选取应对实际主动与被动土压力有所估计，按埋深不同一般 应选在2 0 0 4 0 0 k p a 。埋设时导线用钢管保护引出。为保护导线，在坝前抛石完 成后，埋设土压力盒。 2 2 1 3 连系梁内力 连系梁内力三个断面共设1 2 个测点。三个断面分别位于在断面i 、断面i i 和断面i i i 。 采用水泥混凝土内埋式电阻应变计，在浇筑连系梁时在所测连系梁中点预先 埋入。量程应预先估计，还应考虑盈余布置。布置情况详见图2 3 。 塑坚生兰堡! ：堂些堡兰 、l 磴【匀测占t 嚣 、t l 。 图2 3 联系梁内力测点布置图 2 2 1 4 桩身内力 桩身内力测点设在3 个典型断面( 断面i 、断面i i 和断面i i i ) 的两个排桩的 表面，三个断面共7 2 个测点。测点沿桩长方向均匀布置预埋。 采用水泥混凝土内埋式电阻应变计，在浇筑砼时预先埋入。量程也应预先估 计。 导线连接采用“先引后接”的方法，即在预埋时，用短导线将应变计接口连到桩 外迎水面一侧，等到要具体操作时，再用导线将其连入仪器，这样，一来可以避免因 为导线暴露在外而受损，二来可以节省不必要的材料损失( 因为这种仪器容易受 损这样不至于因为仪器损坏而使整条导线作废) ，但是要特别注意预留在桩外的 接头必须做好防水工作。 桩身内力测点得布置见下图混凝土应力测点从上到下依次为1 到6 号。 加连厦删点 一一一 图2 4 桩身内力测点布置剧 矗 书 莅 塑些查堂些! ：堂焦堡二! ! ； 吕扫：2 0 0 4 2 2 1 5 涌潮水流速度 常规的流速测量可采用超声波法和电磁波法。 由于钱塘江涌潮的特殊性，一般的流速测点仪器容易受损，所以本次测试采 用简易粗略的测试方法。用两丁坝问的距离跟涌潮到达两丁坝的时间差的比值作 为涌潮的前进速度。丁坝的间距是已知的，时间用秒表人工计时。这种方法测得 的流速虽然比较粗糙，但是简单可行，而且比用浮标法来得准确。 2 2 2 单桩受力测试 选择断面i v 的后排桩和断面v 的前排桩作为试验桩，利用应变式钢筋应力计 或水泥混凝土内埋式电阻应变计获取其在涌潮作用下的受力情况，应变仪的预埋 同桩身内力测试中应变仪的预埋。试验剖面如图2 4 所示。布置情况详见“桩式 丁坝平面布置图”。 采用钢筋应力计时，需在预制试验桩时将其对接在试验桩的主筋上。 采用水泥混凝土内埋式电阻应变计时，需在试验桩浇筑时将其预埋在预定测 点位置。 因为是现场测试，所以有以下注意事项： ( 1 ) 信号线保护问题。 ( 2 ) 信号远距离传送，应变式传感器必须接入桥盒( 一般距应变计的间距 不超过5 米) ，接线桥盒需要防水密封，这个问题比较棘手。在电桥 电路连接时用半桥或i 4 桥。 ( 3 ) 预埋钢筋应力计的成活率较高，但应变式钢筋应力计较少，在选型上 会出现困难。而混凝土应变计的成活率就相对差一些，但其可预埋在 任何点，灵活性较好。另外，有比较成熟的产品。为提高试验的可靠 性，是否考虑在关键试验点多布设一些应变计( 也即盈余布置) ，以 保证原始信号的提取。 ( 4 ) 信号线的屏蔽和接地性能好坏将直接影响信号质量。 ( 5 ) 测点编号定义。 2 2 3 坝顶位移测试 ( 塑! ! 查堂塑! ! 兰垡堡兰 利用加速度信号二次积分即得到位移信号。测点布置在丁坝三个典型断面的 压顶梁的前后两侧，以及i i ，i 断面中联系梁中点处共计8 个测点( 见图2 1 ) 。 采用压电式加速度计，灵敏度范围选择在2 0 2 0 0p c m s 2 ，配接的电荷放 人器下限截止步负率为o 1 h z ，卜限截止频率为1 0 0 h z ，放大倍数根据信号大小而 定。 2 2 4 地基水平抗力系数测试 利用桩的水平静载试验得到地基水平抗力系数。试验方法可参考相关试桩规 范。试桩中埋设的应力计可选用钢弦式应力计。利用断面i v 和断面v 的后排桩作 为试验桩。布置情况详见“桩式 一坝平面布置图”。 2 2 5 信号前置转换 由于试验挂本上选用应变式传感器，所以必须用动态应变仪将应变信号转换 成电压信号。 动态应变仪应考虑的主要指标： ( 1 ) 线性误差 ( 2 ) 标定误差 ( 3 ) 衰减误差 ( 4 ) 频率响应 ( 5 ) 温漂、时漂 信道较多，采用组合式多通道动态应变仪。应变信号接入时必须分类编组， 便于试验数据管理和试验设备调试时的错误或故障查找。 2 2 6 采集系统 据统计需同时记录的数据达1 3 6 个，数据通道的采集如何解决是一个必须探 讨的问题。 采集设备性能要求： ( 1 ) 采集设备必须记录足够长的信号时程( 涌潮逼近试验丁坝、越过丁坝 及过后) ，也即要求采集器有长时间记录能力： 塑堡查堂堡! 堂焦堡苎 只江2 0 0 4 ( 2 ) 足够的频率响应； ( 3 ) 足够的输入通道； ( 4 ) 较高的电压信号分辨率 ( j )+ 定的数据处理能力。 2 3 测试原理 在测试点固定压力传感器( 包括液位变送器，钢玄式传感器) 。钢玄式传感 器承受涌潮压力作用后发生相应膜片变形并由此产生电阻信号变化，经动态电阻 应变仪检测放大，再将此随涌潮压力大小变化的信号电流输入v i b s y s 振动信 号采集、处理和分析程序系统。液位变送器埘液体压力测量的基本原理，就是利 用半导体硅材料的压阻效应及流体力学原理，把液体压力，通过变送器转换成标 准的4 2 0 m a d c 电流( 或电压) 信号输出，从而建立起电信号与液体压力的线 性对应关系，实现对液体压力即液位的测量与控制。 2 4 测试过程 本次观测采用非电量电测原理。将基本量测对象一压力( 应变) 经转换元件 转换成微电量信号。微电量经滤波、放大、调整后馈送至响应的系统进行检测、 记录和处理。本次观测的测试系统主要由应变传感器、动态应变仪、数据采集装 置和计算机组成，其流程如图2 5 所示。 涌潮动 l 水压力 i t , , - 图2 5 测试流程图 卜 篓 鄄“ 塑坚查兰堡主兰垡堕壅 吕江2 0 0 4 第三章涌潮压力的测试分析及二维数值计算 3 1 引言 上章中我们讲到了整个丁坝测试的仪器布置及需要注意的问题。涌潮压力 的测试，邵卫云、毛根海等“”曾在2 0 0 0 年对钱江六桥三个桥墩进行过涌潮压力 的动态测试。由于设备的限制，当时测试的时间较短，最长为1 0 2 s ，无法测得 潮头之后的快水过程，我们无法得知，在涌潮过程中，何时对建筑物的破坏作用 最强。丁坝的存在，使水流发生了很大的变化，并且测点布置的位置也离岸较远， 1 j 丁坝的工作状况差距较大，故而其成果不能直接应用于丁坝。关于丁坝的动水 压力的测试，目前只有一些室内的测试成果。本次试验历时6 天，共1 2 潮，获 得圆满成功，得到了大量的第一手实测资料，为钱塘江涌潮压力以及排桩式丁坝 结构的研究提供了可靠的数据，也为钱塘江治理过程中其他水工建筑物的建造提 供了借鉴的依据。 至目前为止，对于潮流全过程的数值模拟以为数不少，这当中也有些是对杭 州湾钱塘江涌潮发展过程的一维、二维的数值模拟，并计算出了潮流涨潮与落潮 时的潮水位过程线，但对涌潮小尺度计算的文章却很少。涌潮是一种带自由面的 三维紊流水力学现象，其各个水力学要素随时间急剧变化，对它的数值模拟比较 困难。目前在数值模拟计算过程中，对自由面的处理，通常采用刚盖假定，m a c ( m a r k e r a n d c e l lm e t h o d ) ，v o f ( v o l u m e o f f l u i d ) ，l i n ( l a g r a n g i a ni n c o m p r e s s i b l e m e t h o d ) 等方法。上述几种方法中，v o f 法用体积函数代替了标记点，大量节省 了计算机内存和计算时间，适用于数值模拟，不少学者曾用此方法来解决复杂的 水力学问题5 5 5 8 1 。 紊流力学中标准的k e 模型是应用最广，检验程度最深的紊流模型，但由 于它以各向同性紊动粘性为基础，对水力学中通常的各向异性紊流有很火的局限 性。本文将采用修正的k e 模型封闭r e y n o l d s 方程，用v o f 方法追踪自由表 面，用施主受主法求解流体体积函数控制方程，计算涌潮冲击丁坝时的压力 及自由面高程，并与实测值进行了对比研究，提出了涌潮数值模拟的新模式。 浙江人学砸lj 学位论文 r 江2 0 0 4 3 2 实测数据整理 这次测试数据很多，图3 1 是测试所得典型的涌潮压力曲线图。综合分析测 试所得的资料，我们可以得出很多结论。 ；o ： ： ； ： - r 。t _ _ - - i _r 卜。 一- - “一 l 一 ； li!ii ： ： ： llii； i i a ) 9 月2 6 下午坝头处低点液位变送_ ；| 测试曲线 f j _一 _ 扣 i ： 目i l l 【# ( b ) 9 月2 6k t 下个坝头处中点液位变送器测试曲线 童# 9 , q 甜日醐t 州通tb 1 f ( c ) 9 月2 4h 下午坝头处中点钢玄式传感器测试曲线( d ) 9 月2 4 同下午坝头处低点钢玄式传感器测试曲线 ( e ) 9 月2 4 日下午坝头处高点制玄式传感器测试曲线 图3 1 实测涌潮动水压力图 3 2 1 涌潮压力随时间的变化 本次测试中，数据采集的时间为6 0 0 秒或9 0 0 秒，采样频率为5 0 0 h z 。动水 压力曲线一般分为以下几个过程。首先，当涌潮来时，水压力急剧增加，在1 0 堑! ! 叁兰塑i 堂堡丝兰 2 0 秒达到峰值；之后，涌潮压力有一个明显的下降过程，时问较短，这是由 丁_ 涌潮相当于波，潮头是其波峰；紧接着是一个波谷，水位较低，流速较小，所以 这段时问涌潮压力迅速减小；之后水位缓慢上升，涌潮压力缓慢增大，随后出现 比较平稳一段，这两段持续时问也较短；大概在涌潮到达之后3 分钟左右，涌潮 压力又丌始有较大幅度的上升，原因是这段时间流速明显变大，出现潮头过后的 第一阵快水，持续2 3 分钟之后，流速减小，水面相对平静，涌潮压力不再增 大，甚至于有所减小；大概1 2 、1 3 分钟之后，流速又是急剧变大，涌潮压力也 随之变大；持续数分钟后，水面变缓，流速减小，涌潮压力也趋于平衡。( 实测 原始图洋图3 1 ) 3 2 2 涌潮压力沿垂线方向上的分布 本文巾所指的涌潮压力是指对应的加速度测点达到最大值时刻的压力值。 表3 1 坝头加速度最大时刻压力值 9 月2 2 日9 月2 3 日9 月2 4 日9 月2 5 日9 月2 6 日9 月2 7 日9 月2 8 日 高程甲潮晚潮早潮晚潮早潮晚潮旱潮晚潮早