结构-波浪-海床耦合系统中大圆筒结构的波压力响应.doc

1 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 2 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 Iwagaki[1] 通过在 amy 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;Huntington[2] 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 Sambhu Venkata Rao[3] 基于 amy 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 3 析,其结果与基于 amy 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, amy 和 Fuchs[5] 基于线性绕射理论,提出在小振幅波作用下的动波压力为 4 (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; k=2 π/L 为波数;L 为波长; βm 为常数,且有β 0=1 以及 m≥1时β m=2im( 其中: i2=-1);J m 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: 5 (2) 动波压力谱 Spp(f) 与入射波谱 S ηη(f) 之间的关系为 Spp(f)=|TF(f)|2S ηη(f) (3) 2实验 6 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 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 的铜板制作而成, 直径 40cm 、