桩的荷载对水平作用力的作用

试验二波浪荷载对桩柱的水平作用力试验一、试验原理简介海洋上各类结构物大都处于开敞的海域，直接遭受波浪袭击，受到波浪力的作用。对于海洋结构物来说，波浪荷载是一项主要的环境荷载。波浪在静水面附近波动最大，最活跃，静水面附近的波浪力也就最大。导管架结构和桩式码头的桩柱是减小波浪力作用的较好结构形式。小尺度结构物，通常是指近海工程结构物被波浪包围的构件横向尺寸。与波长匕之比小于0.2时，则可按小尺度结构物受波浪力作用来考虑。本试验重点模拟小尺度结构物受波浪力作用。波浪对小尺度结构物的作用主要是粘滞效应和附加质量效应。粘滞效应：由于流体的粘滞性而引起的粘滞效应，使结构物受到阻力（或称流速力或拖曳力）作用。附加质量效应：由于流体运动的惯性及结构物存在而引起的附加质量效应,使结构物受到质量力（或称惯性力）作用。当波浪作用在小尺度孤立桩柱上时，形成波浪绕流，这时凡乎不产生波浪反射和波浪破碎，认为桩柱存在不影响波浪运动状态。当波浪绕过桩柱时，使桩柱受到波浪力作用。当桩柱间距！大于4倍桩柱直径。，即J/ON4时，桩柱周围波浪绕流基本上不受影响，这时各桩柱便可以认为是孤立桩柱，桩柱间受力不受干扰，可分别计算各桩柱上的波浪力。莫里森方程计算小尺度孤立桩柱上的波浪力首先由莫里森提出，认为波浪力使水流经物体时速度引起的阻力和水体加速度引起的惯性力的线性迭加，阻力是绕流时水质点运动速度突然变化而形成，与速度平方及阻水面积成正比；惯性力是水质点原有轨迹运动的加速度及被物体排开水体的质量成正比。作用在桩柱单位长度上的总波浪力，由下给出。"1Aq»dP=-CDflDLi^t\dz+CMpA—dz(36)这就是众说周知的莫里森方程，整个桩柱水平波浪力为:(37)式中p一一作用在构件上的总波浪力，kN；以一一水质点相对于构件的垂直于构件轴线的速度分量，m/s：”为其绝对值，当海流和波浪联合对平台作用时，以为水质点的波浪速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于构件方向上的分矢量；du出一一水质点相对于构件的垂直于构件轴线的加速度分量，m/s2：P——水的密度，kg/m1；。一一构件直径，当平台有海生物附着时，应包括海生物的附着厚度，m：/一一构件截面积，m2；勺一一垂直于构件轴线的拖曳力系数。必要时，应尽量由试验确定。在实验资料不足时，对表面光滑圆形构件取0.65,对表面粗糙圆形构件取1.05：f惯性力系数，应尽量由试验确定。在实验资料不足时，对表面光滑圆形构件取1.6,对表而粗糙圆形构件取1.2：门一一2=0的波面方程，mo在应用Morison方程时，水质点的瞬时速度和加速度必须依据波浪理论一-线性波理论(Ariy波)，Stokes波理论，孤立波理论，流函数理论等。对于相同的微分方程和边界条件，不同的波浪理论可提供大致相似的解。这些波浪理论的选择应该符合相应规范提供的波浪条件，同时假定结构物的存在不影响波浪运动特征，即只能应用于小尺度结构物的波力计算，也就是时，才能应用Morison方程计算作用在结构物上的波浪力。3.孤立桩柱上最大水平波浪力以上讨论的是在一个波浪周期内任意时刻的作用在桩柱上总水平波压力。对于孤立桩柱最大水平阻力，最大水平惯性力的计算可参考港口水文规范小尺度桩柱所受的波浪力的计算步骤。二、试验目的通过该试验加深波浪荷载对桩柱水平作用力的理解。加深不同直径的桩所受的最大水平阻力和最大水平惯性力与周期、波高、速度等关系理解。掌握具有不同的波要素的波浪对孤立桩的作用。验证孤立桩柱所受的水平作用力试验值与莫里森公式的关系。掌握用试验的方法测量桩柱式结构物的水平波浪力方法。三、试验仪器设备试验水池试验在大连理工大学港海教研室的波浪水池中进行。水池长50m,宽8m,深1.0m,水池的前端装备液压式不规则造波机，由计算机控制产生规则波和不规则波，同时采集波浪和波力信号。水池的末端设有1:5的块石消能坡，以减少波浪的反射影响。仪器1用CBY-II型波高测量控制系统测量波高，用总力测力计同步测量作用于整个桩上的水平波浪力，测力系统的自震频率为7〜8赫兹，可不考虑动力反响的影响。仪器2《CSW-II型压强和总力测量系统》是采用先进的电子技术、传感技术和计算机硬、软件技术最新研制成功的计算机多点同步测量系统，系统可同步采集处理27点压强（本次实验不用）和27点总力（本次试验采用的3点总力测量）。四、试验介绍

该试验模拟波浪作用下的海上桩柱式结构物，测试孤立桩所受的水平波浪力（忽略横向力影响）。模型试验由三个不同的直径的桩柱组成，平面布置如图16所示。试验桩柱模型上端安装总力测力计，同时固定在水池上部测试架上，让试验桩柱成悬臂梁，在悬臂梁下端距水池地面1.0mm左右（见图17和照片18）,试验模型摆放在水池中间位置。波耶用方向单位£mm波耶用方向单位£mm三冲不同雄在测力平而布罔国图1三种不同桩径测力平面布置图图2总力测力计布置示意图

图18总力测力计、桩和上部支架布置示意图试验数据记录表四、试验数据整理试验值:图2总力测力计布置示意图试验水深(cm)波高(cm)周期(s)桩径(mm)试验值记录文件名最大水平作用力试验值50111.640严1.apre1.0550严1.apre1.5375严1.apre3.83111.640严2.apre1.0550严2.apre1.5375严2.apre3.73理论值计算如下：D=0.04m,d=0.5m,T=l.6067s,H=0.0835,L=3.093m由于H/d=O.167vo.2,d/L=O.161vo.2,根据《海港水文规范》8.3.2.2计算最大水平波浪力。试验中所用桩柱沿整个柱体高度断面相同，所以作用于柱体上的波浪力速度分力和惯性分力的最大值计算公式如规范8.3.14和83.1-2所示：yDH2PDmax=CD-9"K1yAHPhnax=Cm・,K?其中，Cd=1.2,Cm=2.0,桩直径D=0.05m,横截面积A=nD2/4o

4teZ24teZi,.i4teZ2.i4nZi+smh-—smh-j-&-q.i4nd8smh—K2=K2=sinh次件一sinh丑晋cosh平计算整个主柱体上的PDmax时，Zi=0,Z2=d+】]ny，而计算整个柱体上的Phnax时»Zj=O,Z2=d+T|m3K—H/2o当(ot=0时，由H/d=0.167S规范图8.3.2-1可得，血般=Q6H=Q050m4tcX0.550.,4teX0.550K1=3.093+：mh°泮g_=Q>229(1)Z]=0,Z2=d+血双=0.5501时，c.i4tcX0.550.,4teX0.550K1=3.093+：mh°泮g_=Q>229^Dmax=Cd•K]=1.2xzx0.229=0.501(2)Zi=0,Z2=d+qmax—-=0.508m时,,2teX0.508smh3093K2=—t2nX0.5=0785

cosh3.093yAH10.45X103X71XO.O52X1X0.0835Pimax=Cm•-K2=2.0xx0.785=1.345由H/d=0.167,d/L=0.162,查图83.2-8得，a=1.17,有Pnlnax=1.17X0.501=0.586又d/L=0.162G[0.04,0.2],查规范图8.3.2-10得“=1.01,所以有Phnax=1・°1X1.345=1.358由于PDmaxV0.5P]max,作用于整个柱体高度上的总波浪力为：P】】】ax=Phnax=1.358此时相位为sinE=270。五、实验值和理论值的比较实验值中的数据经过数据处理后如上图所示，由于是规则波，所以图中只有两个最大值较为突兀，所以将其除去不加考虑。在经过数据处理后，我们从图表中得到桩径为50mm的桩，理论最大值为1.44,所以实验所得最大水平波浪力为1.44o而理论值中，所算的的最大水平波浪力为1.358。经过对其他两根桩的演算，都是实验的值要比理论值偏大。所以，实验所得的波浪力要比理论值要大，实验偏于安全。由于实验是在有限水槽中进行，无法避免会有波浪的反射等作用，所以可能是波浪反射导致波能加强，使得所测最大值偏高。六、群桩效应作用下桩上水平力的变化群桩效应值领桩的存在使得组成桩周围流场收到干扰引起荷载发生变化的效应，现在定义群桩中某组成桩上的横向力与单桩上的横向力之比为横向力群桩系数。下面以图表中的群桩系数随KC数的变化规律来说明(KCL54时♦内的FKOWkCVIO时，群桩系数一般值都较大，这主要是因为孤立桩在KC数较小时升力水平很低。而在群桩时，由于边桩绕流的不对称性，出现高水平升力的KC数可降至很低。正因为如此，较大群桩系数并不代表横向力的绝对量值很大。当KO10时，除并列边桩外群桩系数常小于1.3。而桩上的合力是有横向力和正向力叠加而成的，由于是圆柱体桩柱，虽然任意时刻力的合成方向都不一样，但是其方向变化不是一个重要的