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(yīng)摘要：以沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)為對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)隨機(jī)波浪水槽實(shí)驗(yàn)，測(cè)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(dòng)波壓力分布。波面高度以及波壓力歷程均在頻域進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)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(shí)測(cè)結(jié)果與基于線性繞射理論的解析解進(jìn)行了比較，同時(shí)也詳細(xì)對(duì)比了兩種結(jié)構(gòu)型式下的實(shí)測(cè)結(jié)果。文中匯報(bào)了在研究中獲得的新發(fā)現(xiàn)及進(jìn)行的相應(yīng)分析，特別是在結(jié)構(gòu)波浪海床動(dòng)力相互作用下對(duì)波壓力響應(yīng)機(jī)理以及針對(duì)連續(xù)筒的研究，可為工程應(yīng)用提供有價(jià)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(jiàn)于碼頭、防波堤以及桶形基礎(chǔ)平臺(tái)，這種結(jié)構(gòu)通過(guò)深嵌于海床并主要依靠土體的嵌固作用，在風(fēng)、流、冰等環(huán)境條件特別是在隨機(jī)波浪的持續(xù)和長(zhǎng)期作用下保持穩(wěn)定。根據(jù)不同目的的工程應(yīng)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(yīng)，由于結(jié)構(gòu)波浪海床三者復(fù)雜的動(dòng)力相互作用而變得十分復(fù)雜，研究該結(jié)構(gòu)在隨機(jī)波作用下的動(dòng)力響應(yīng)具有工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究?jī)煞矫娴闹匾獌r(jià)值。由于大尺度結(jié)構(gòu)的存在可對(duì)入射波場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響，通常采用考慮散射效應(yīng)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(gè)圓筒上的波浪力和波壓力。對(duì)于大圓筒結(jié)構(gòu)在隨機(jī)波作用下的波浪力及波壓力研究，Ishida和Iwagaki1通過(guò)在MacCamy和Fuchs線性繞射理論中引入一種線性過(guò)濾器，對(duì)作用于大圓筒的波浪力進(jìn)行了計(jì)算；Huntington2將線性繞射理論推廣到不規(guī)則方向波，研究表明，對(duì)于突出于水面的大直徑圓筒，作用于其上的總力譜可通過(guò)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(jì)算動(dòng)波壓力的方法，并且通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)測(cè)取波壓力對(duì)此進(jìn)行了考察；Sundar等4通過(guò)在水槽中模擬繞射波場(chǎng)，測(cè)取了大圓筒表面的波壓力分布并進(jìn)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(duì)沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隨機(jī)波浪水槽實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(dòng)力相互作用，將使動(dòng)波壓力響應(yīng)更為復(fù)雜并帶來(lái)未可預(yù)知的現(xiàn)象；其次，本研究的重點(diǎn)在于連續(xù)筒布置型式，對(duì)于連續(xù)排列的柱體結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)條件的變化將非常復(fù)雜和劇烈，無(wú)論是理論分析和實(shí)驗(yàn)研究均未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。通過(guò)對(duì)水槽實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，本研究測(cè)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(dòng)波壓力響應(yīng)歷程，通過(guò)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(dòng)波壓力的響應(yīng)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(duì)單筒實(shí)測(cè)波壓力數(shù)據(jù)的比較研究。對(duì)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(dòng)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(zhǎng)；m為常數(shù)，且有0=1以及m1時(shí)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(dǎo)數(shù)；Hm及Hm表示m階第一類Hankel函數(shù)及其一階導(dǎo)數(shù)，z為圓柱軸向坐標(biāo)并以靜水面以上為正，為相對(duì)于入射波方向的圓柱環(huán)向坐標(biāo)，以順時(shí)針轉(zhuǎn)向?yàn)檎?，并以圓柱前沿為0、后沿為180。由式(1)可以直接導(dǎo)出關(guān)于動(dòng)波壓力的傳遞函數(shù)：(2)動(dòng)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(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)在天津港灣工程研究所寬4m長(zhǎng)92m的大型不規(guī)則波試驗(yàn)水槽進(jìn)行。模型海床處于水槽中一段寬為164cm的試驗(yàn)段，表面與槽底基本持平，深80cm、寬164cm、長(zhǎng)200cm，由取自天津海濱容重約16.2kN/m3的淤泥添置而成。實(shí)驗(yàn)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(duì)單筒結(jié)構(gòu)，采用了30cm和50cm兩個(gè)沉入深度，對(duì)連續(xù)筒型式只采用50cm一個(gè)沉入深度。無(wú)論是單筒型式還是連續(xù)筒型式，均共用同一個(gè)測(cè)試筒，沿環(huán)向每隔30布置一個(gè)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(xì)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(cè)儀以測(cè)量不受擾動(dòng)的入射波波面歷程。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)大圓筒的沉入和拔出均采用機(jī)械方式，能夠保證垂直移動(dòng)以盡量減小對(duì)海床的擾動(dòng)。2.2實(shí)驗(yàn)程序分6種工況進(jìn)行了隨機(jī)波水槽實(shí)驗(yàn)，詳見(jiàn)表1。為力求保證海床土不受前次工況實(shí)驗(yàn)的擾動(dòng)，以充分模擬原狀海床并達(dá)到海床特性在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的一致性，在前次工況結(jié)束之后，均拔出模型對(duì)淤泥進(jìn)行較為徹底的處理，并令其恢復(fù)24h以后再進(jìn)行下次工況的實(shí)驗(yàn)?？紤]到在隨機(jī)波作用下結(jié)構(gòu)與海床的相互作用具有一段發(fā)展過(guò)程，對(duì)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(shí)間為240s。圖1所示為實(shí)測(cè)規(guī)范譜和PM譜，圖2為實(shí)測(cè)典型的波面歷程及波壓力歷程。3結(jié)果和討論運(yùn)用所測(cè)取的波面及波壓力歷程數(shù)據(jù)，計(jì)算了各測(cè)點(diǎn)的波壓力傳遞函數(shù)和波壓力譜，將單筒的實(shí)測(cè)結(jié)果與基于線性繞射理論的波壓力傳遞函數(shù)進(jìn)行了比較，同時(shí)也將連續(xù)筒的實(shí)測(cè)結(jié)果與單筒的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。表1實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)算式(2)，本文計(jì)算了直立于底并突出于水面的單個(gè)大直徑圓柱在小振幅波作用下的動(dòng)波壓力傳遞函數(shù)，繪制了在圓柱環(huán)向坐標(biāo)=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(jiàn)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(shuō)明波壓力響應(yīng)隨高程的降低而變??；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