水利工程論文-結(jié)構(gòu)-波浪-海床耦合系統(tǒng)中大圓筒結(jié)構(gòu)的波壓力響應摘要：以沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)為對象，通過設(shè)計隨機波浪水槽實驗，測取了在單筒和連續(xù)筒兩種結(jié)構(gòu)型式、兩種沉入深度和兩種波譜輸入下結(jié)構(gòu)表面的動波壓力分布。波面高度以及波壓力歷程均在頻域進行分析。通過計算結(jié)構(gòu)表面沿高程和沿環(huán)向的波壓力譜及波壓力傳遞函數(shù)，將單筒實測結(jié)果與基于線性繞射理論的解析解進行了比較，同時也詳細對比了兩種結(jié)構(gòu)型式下的實測結(jié)果。文中匯報了在研究中獲得的新發(fā)現(xiàn)及進行的相應分析，特別是在結(jié)構(gòu)波浪海床動力相互作用下對波壓力響應機理以及針對連續(xù)筒的研究，可為工程應用提供有價值的參考。關(guān)鍵詞：沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)波浪海床在港口工程和近海工程領(lǐng)域，沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)往往見于碼頭、防波堤以及桶形基礎(chǔ)平臺，這種結(jié)構(gòu)通過深嵌于海床并主要依靠土體的嵌固作用，在風、流、冰等環(huán)境條件特別是在隨機波浪的持續(xù)和長期作用下保持穩(wěn)定。根據(jù)不同目的的工程應用，沉入式大圓筒既有墩式型式又有連續(xù)式型式，根據(jù)海床和海況條件的差異又有不同的沉入深度，結(jié)構(gòu)表面的波壓力分布以及結(jié)構(gòu)所承受的土壓力分布及其響應，由于結(jié)構(gòu)波浪海床三者復雜的動力相互作用而變得十分復雜，研究該結(jié)構(gòu)在隨機波作用下的動力響應具有工程應用和學術(shù)研究兩方面的重要價值。由于大尺度結(jié)構(gòu)的存在可對入射波場產(chǎn)生顯著影響，通常采用考慮散射效應的線性繞射理論而非Morison公式用以分析規(guī)則波作用下單個圓筒上的波浪力和波壓力。對于大圓筒結(jié)構(gòu)在隨機波作用下的波浪力及波壓力研究，Ishida和Iwagaki1通過在MacCamy和Fuchs線性繞射理論中引入一種線性過濾器，對作用于大圓筒的波浪力進行了計算；Huntington2將線性繞射理論推廣到不規(guī)則方向波，研究表明，對于突出于水面的大直徑圓筒，作用于其上的總力譜可通過傳遞函數(shù)與波高譜相聯(lián)系；Raman和SambhuVenkataRao3基于MacCamy和Fuchs線性繞射理論以及疊加原理，發(fā)展了一種計算動波壓力的方法，并且通過水槽實驗測取波壓力對此進行了考察；Sundar等4通過在水槽中模擬繞射波場，測取了大圓筒表面的波壓力分布并進行了頻域分析，其結(jié)果與基于MacCamy和Fuchs線性繞射理論的分析結(jié)果吻合較好。本文針對沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)進行了隨機波浪水槽實驗，其有別于上述研究之處在于，首先，上述研究中采用的大圓筒模型均為實心且垂直固定于水槽底面，而本模型為空心殼體且為垂直沉入淤泥質(zhì)海床，由于結(jié)構(gòu)和海床的動力相互作用，將使動波壓力響應更為復雜并帶來未可預知的現(xiàn)象；其次，本研究的重點在于連續(xù)筒布置型式，對于連續(xù)排列的柱體結(jié)構(gòu)，流場條件的變化將非常復雜和劇烈，無論是理論分析和實驗研究均未見相關(guān)報道。通過對水槽實驗的設(shè)計，本研究測取了在單筒和連續(xù)筒兩種布置型式、兩種沉入深度和分別在交通部規(guī)范譜以及PM譜輸入下大圓筒結(jié)構(gòu)表面的動波壓力響應歷程，通過在頻域范圍分析波壓力譜和波壓力傳遞函數(shù)，比較研究了大圓筒特別是在連續(xù)筒布置型式下動波壓力的響應規(guī)律。1理論分析現(xiàn)扼要介紹基于線性繞射理論的解析波壓力傳遞函數(shù)，以用于對單筒實測波壓力數(shù)據(jù)的比較研究。對直立于底并突出于水面的大直徑圓柱，MacCamy和Fuchs5基于線性繞射理論，提出在小振幅波作用下的動波壓力為(1)式中：為流體質(zhì)量密度；g為重力加速度；h為波高；d為水深；為圓頻率；a為圓柱半徑；k=2/L為波數(shù)；L為波長；m為常數(shù)，且有0=1以及m1時m=2im(其中：i2=-1)；Jm及Jm表示m階第一類Bessel函數(shù)及其一階導數(shù)；Hm及Hm表示m階第一類Hankel函數(shù)及其一階導數(shù)，z為圓柱軸向坐標并以靜水面以上為正，為相對于入射波方向的圓柱環(huán)向坐標，以順時針轉(zhuǎn)向為正，并以圓柱前沿為0、后沿為180。由式(1)可以直接導出關(guān)于動波壓力的傳遞函數(shù)：(2)動波壓力譜Spp(f)與入射波譜S(f)之間的關(guān)系為Spp(f)=|TF(f)|2S(f)(3)2實驗2.1實驗裝置實驗在天津港灣工程研究所寬4m長92m的大型不規(guī)則波試驗水槽進行。模型海床處于水槽中一段寬為164cm的試驗段，表面與槽底基本持平，深80cm、寬164cm、長200cm，由取自天津海濱容重約16.2kN/m3的淤泥添置而成。實驗中采用兩種輸入波譜，分別為交通部規(guī)范譜和PM譜，均保持水深為40cm，如表1所列。大圓筒結(jié)構(gòu)模型由厚為0.3cm的銅板制作而成，直徑40cm、高度100cm，采用兩種結(jié)構(gòu)布置型式，一是單筒型式以模擬墩式結(jié)構(gòu)，二是連續(xù)筒型式以模擬連續(xù)排列的筒體結(jié)構(gòu)。對單筒結(jié)構(gòu)，采用了30cm和50cm兩個沉入深度，對連續(xù)筒型式只采用50cm一個沉入深度。無論是單筒型式還是連續(xù)筒型式，均共用同一個測試筒，沿環(huán)向每隔30布置一個波壓力傳感器(90處傳感器以80處代替)，沿高程從上至下共布置6層傳感器，其間距從5cm到15cm不等。大圓筒結(jié)構(gòu)模型的筒內(nèi)填料為細砂，其容重為=16.8kN/m3、內(nèi)摩擦角為=30。此外，還在水槽中設(shè)置波浪探測儀以測量不受擾動的入射波波面歷程。在實驗中對大圓筒的沉入和拔出均采用機械方式，能夠保證垂直移動以盡量減小對海床的擾動。2.2實驗程序分6種工況進行了隨機波水槽實驗，詳見表1。為力求保證海床土不受前次工況實驗的擾動，以充分模擬原狀海床并達到海床特性在整個實驗中的一致性，在前次工況結(jié)束之后，均拔出模型對淤泥進行較為徹底的處理，并令其恢復24h以后再進行下次工況的實驗?？紤]到在隨機波作用下結(jié)構(gòu)與海床的相互作用具有一段發(fā)展過程，對每次工況均以33.33Hz的采樣頻率連續(xù)采集3次數(shù)據(jù)，每次采集時間為240s。圖1所示為實測規(guī)范譜和PM譜，圖2為實測典型的波面歷程及波壓力歷程。3結(jié)果和討論運用所測取的波面及波壓力歷程數(shù)據(jù)，計算了各測點的波壓力傳遞函數(shù)和波壓力譜，將單筒的實測結(jié)果與基于線性繞射理論的波壓力傳遞函數(shù)進行了比較，同時也將連續(xù)筒的實測結(jié)果與單筒的實測結(jié)果進行了對比研究。表1實驗工況結(jié)構(gòu)布置型式波譜有效波高/cm峰頻/Hz沉入深度/cm實驗組數(shù)單筒規(guī)范譜PM譜10100.520.58305030501234連續(xù)筒規(guī)范譜PM譜10100.520.585050563.1理論波壓力傳遞函數(shù)沿單筒筒面的變化根據(jù)理論波壓力傳遞函數(shù)的計算式(2)，本文計算了直立于底并突出于水面的單個大直徑圓柱在小振幅波作用下的動波壓力傳遞函數(shù)，繪制了在圓柱環(huán)向坐標=0、90和180處沿高程的變化以及在靜水面沿環(huán)向的變化，詳見圖3?？梢钥闯?，在我們所關(guān)心的頻率范圍內(nèi)，理論波壓力傳遞函數(shù)均隨高程的降低而減小，說明波壓力響應隨高程的降低而變小；除了在靜水面附近，傳遞函數(shù)基本隨頻率的增大而減小；在靜水面，=90之前，亦即沿筒體的迎波面，傳遞函數(shù)隨環(huán)向角度的增大而減小，并明顯隨