波流

跨海橋梁典型箱梁波流試驗(yàn)科研進(jìn)度為切入點(diǎn)，將科研應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中，同時(shí)舉辦匯報(bào)競(jìng)賽，落實(shí)“以賽促教、以賽促學(xué)”，最大程度幫助學(xué)生理解多場(chǎng)耦合理論方法與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，為該類課程科研反哺教學(xué)方式提供一定參考。1 近海橋梁波流力試驗(yàn)科研反哺1.1 研究背景為實(shí)現(xiàn)我國(guó)舟山連島工程及環(huán)渤海灣、長(zhǎng)三角、珠三角、臺(tái)灣海峽，以及國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略中“21 世紀(jì)海上絲綢之路”沿線經(jīng)濟(jì)區(qū)域的互聯(lián)互通，越來越多跨海橋梁處于建造或規(guī)劃建造中［11-12］。限于我國(guó)沿海通道多處于

波浪[5-8]、波流聯(lián)合[9-10]情況下的單樁或群樁結(jié)構(gòu)沖刷問題,而三桶吸力樁結(jié)構(gòu)形式更加復(fù)雜,上部桁架相互交錯(cuò),桶頂布有多段肋板,導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍水體的紊動(dòng)加劇,床面泥沙運(yùn)動(dòng)多變,由于三桶吸力樁結(jié)構(gòu)較新穎、相關(guān)研究成果較少[11]。此外,為了應(yīng)對(duì)構(gòu)筑物在海洋環(huán)境下的局部沖刷問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同防護(hù)措施進(jìn)行了探討,分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)[12],主動(dòng)防護(hù)措施如護(hù)圈防護(hù)措施[13]、犧牲樁防護(hù)措施等[14],被動(dòng)防護(hù)如拋石防護(hù)措施[15-16]、防護(hù)沙袋防護(hù)

行研究，結(jié)果表明波流同向下的錨繩力大于波流逆向，多點(diǎn)系泊時(shí)的系泊力峰值大于單點(diǎn)系泊。徐為兵等[11]和崔勇等[12]對(duì)蝶形網(wǎng)箱進(jìn)行了多海況下的數(shù)值計(jì)算，證明了流速對(duì)錨繩張力影響最大，雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱的最大錨繩力均大于單層網(wǎng)底網(wǎng)箱。崔江浩[13]、江濤等[14]對(duì)網(wǎng)箱進(jìn)行耐流特性研究，不同流速下數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果相差不大。熊占山等[15]研制出了淡水組合式浮動(dòng)網(wǎng)箱。劉永利等[16]通過對(duì)網(wǎng)箱在橫，縱兩種排布下的模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了在流速高時(shí)，縱向排布方式抗風(fēng)浪性能最

。在實(shí)際情況中，波流場(chǎng)中的流速沿水深是非均勻的，即流速隨著水深發(fā)生變化[1]。關(guān)于波浪與非均勻流相互作用的研究，學(xué)者從理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究等方面進(jìn)行了探討[2-5]。實(shí)驗(yàn)所得的波流信號(hào)通常離散且不連續(xù)，本質(zhì)上為時(shí)間序列?？梢詮膬蓚€(gè)方面討論時(shí)間序列的相關(guān)性，即時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析是在時(shí)間尺度上研究序列的變化，常用的方法有線性相關(guān)系數(shù)、Granger因果分析、Copula函數(shù)等[6]，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)越性的體現(xiàn)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也成為有力的

，因此，有必要對(duì)波流作用下復(fù)合筒型基礎(chǔ)的波浪爬升現(xiàn)象開展研究．首先，采用RNG-模型建立了波流與復(fù)合筒型基礎(chǔ)相互作用的數(shù)值水槽．其次，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性．最后，探究了波流作用下復(fù)合筒型基礎(chǔ)周圍的波浪爬升規(guī)律，揭示了不同流速比cw下水流對(duì)波浪爬升的貢獻(xiàn)．研究發(fā)現(xiàn)：①波浪單獨(dú)作用下復(fù)合筒型基礎(chǔ)前方水體回落到最低點(diǎn)時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向均為斜向下方，而在波流聯(lián)合作用時(shí)，復(fù)合筒型基礎(chǔ)前端形成漩渦，背面的水質(zhì)點(diǎn)將朝著不同的方向進(jìn)行擴(kuò)散；②波浪單獨(dú)作用時(shí)

同方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)波流耦合模擬[20-24]，而現(xiàn)有DG水動(dòng)力模型尚缺乏針對(duì)波流耦合模擬的研究。為此，本文將借鑒已有波流耦合模型的實(shí)現(xiàn)方法，在李文俊等[18]建立的二維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格無積分間斷有限元水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上，采用我國(guó)清華大學(xué)自主開發(fā)的C-Coupler2耦合器與第三代波浪模型SWAN進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向耦合，建立波浪與節(jié)點(diǎn)間斷有限元二維水動(dòng)力的實(shí)時(shí)波流耦合模型。1 二維波流耦合模型1.1 水動(dòng)力模型及其DG離散水流控制方程為如下淺水方程(1)(2)式中：ρw

波浪聯(lián)合切應(yīng)力是波流共同作用最具代表性的表現(xiàn)形式[2]。Grant等[3]認(rèn)為潮流、波浪及其聯(lián)合作用產(chǎn)生的切應(yīng)力是海床沉積物得以懸浮和垂向擴(kuò)散的原因；苗立敏等[4]發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴期間的波高、波流聯(lián)合切應(yīng)力、懸沙濃度和輸沙率均比平靜天氣高數(shù)倍；此外，水體底部形成的高濃度懸沙層還有可能產(chǎn)生減阻效應(yīng)，使得床面切應(yīng)力減小[5]。波流耦合強(qiáng)切應(yīng)力的作用使得海岸泥沙運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜，且隨動(dòng)力條件變化而發(fā)生海床沉積物級(jí)配、海床結(jié)構(gòu)等變化，提高了大風(fēng)條件下泥沙運(yùn)動(dòng)研究的難度，因此研

恒定流條件，其在波流環(huán)境中是否具有同樣的防護(hù)效果，仍未得到更深入的研究。防沖套筒是一種簡(jiǎn)單的防護(hù)結(jié)構(gòu)，在樁柱周圍布置套筒，可以限制馬蹄形旋渦的發(fā)展空間，并將樁基周圍大部分床沙的活動(dòng)范圍限制在套筒內(nèi)部，從而減少?zèng)_刷[18]。套筒防護(hù)不受水流流向的限制，能夠適用于各種水流條件下的沖刷防護(hù)。Liang 等對(duì)比研究了包括套筒在內(nèi)的4 種防沖措施在波流條件下的防沖效果，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)水流控制措施在波流作用下防沖效果較差，甚至產(chǎn)生了更深的沖刷坑，而套筒防護(hù)在波流作用下仍具

情況[1-4]。波流作用下的樁基沖刷涉及到波浪、水流、樁柱與鄰近底質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用，研究成果較少[5-6]。實(shí)驗(yàn)表明：波流聯(lián)合動(dòng)力并不是簡(jiǎn)單的疊加，不同動(dòng)力組合情況下結(jié)構(gòu)物周圍渦流系存在較大的差異[7]。對(duì)于樁周最大沖深，部分學(xué)者們給出了相反觀點(diǎn)。Qi等人[8]指出水流或波浪單獨(dú)作用下的樁基周圍沖刷坑深度明顯小于波流共同作用下的。Sumer 等人[9]指出聯(lián)合的沖刷深度小于純水流的，但在大于純波浪的情況下，該過程受KC 數(shù)（KC=UwmT/D，其中，U

構(gòu)物產(chǎn)生影響。當(dāng)波流耦合作用時(shí)，其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、剪應(yīng)力特性和能量分布與單純波浪或水流作用相比發(fā)生了很大變化，因此有必要研究波流耦合作用下結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力特性。XIAO等[13]基于 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程在數(shù)值波浪水槽底部設(shè)置入流速度邊界和出流速度邊界造流，實(shí)現(xiàn)了波流的非線性耦合。ZHANG等[14]同樣基于 RANS 方程建立了數(shù)值波流水槽，并利用 UMEYAMA[15]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。SINGH等

其中的2種。由于波流的長(zhǎng)期作用，結(jié)構(gòu)物容易產(chǎn)生疲勞與坍塌，所以研究波流與結(jié)構(gòu)物的作用對(duì)結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)和生產(chǎn)安全有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。早期針對(duì)波浪對(duì)非完全水平淹沒圓柱體已經(jīng)有了大量的研究，其中大部分采用了理論分析和物理實(shí)驗(yàn)的方法。Dixon等[1]考慮圓柱軸心和低于靜水面的情況，改變波浪頻率和圓柱的淹沒深度對(duì)水平圓柱體上的波浪力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。隨著流體計(jì)算的發(fā)展，對(duì)部分淹沒水平圓柱體上波浪力的數(shù)值模擬研究也不斷開展。Westpahlen等[2]采用有限體積法等CFD

的差異，對(duì)于豐富波流-結(jié)構(gòu)物（岸灘植物）-海床相互作用的研究具有重要意義，同時(shí)也可為工程設(shè)計(jì)和岸灘防護(hù)提供理論借鑒。已經(jīng)有眾多學(xué)者對(duì)波流作用下垂直樁沖刷問題進(jìn)行了深入廣泛的研究。Sumer等[3]分析了KC數(shù)、Ucw數(shù)與相對(duì)沖刷深度的關(guān)系。Chen等[4]在大尺度水槽中開展垂直樁波流沖刷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)波流疊加的非線性作用使得最大沖刷深度點(diǎn)位置發(fā)生了變化。Zhao等[5]利用數(shù)值模擬和物理模型相結(jié)合的方法研究了大直徑樁的沖刷問題。Qi等[6]通過試驗(yàn)建立起孔隙水

小直徑樁基的水平波流力和波流力矩，還研究了波浪隨機(jī)振動(dòng)對(duì)工程橋梁施工階段的影響；周衛(wèi)濱等研究了大直徑樁基的波浪力分析模型，并將其應(yīng)用于樂清灣1號(hào)橋，分析了橋梁下部基礎(chǔ)的波流力；黃華定、徐伯勤等同樣結(jié)合具體工程對(duì)波流力進(jìn)行分析，還根據(jù)潮流的變化特點(diǎn)，提出了一種分析樁基結(jié)構(gòu)上的水流作用的方法；皇甫熹等采用譜分析的方法對(duì)群樁上的不規(guī)則波波流力進(jìn)行研究；俞聿修、史向宏研究了小尺度樁柱上不規(guī)則波波流力的水動(dòng)力系數(shù)；Teng B運(yùn)用邊界元方法建立了大尺度結(jié)構(gòu)波浪繞射的

和海流(以下簡(jiǎn)稱波流)的作用，將愈發(fā)控制設(shè)計(jì)。在波浪的基礎(chǔ)上加入海流將使得結(jié)構(gòu)受力變得更為復(fù)雜。針對(duì)波流對(duì)承臺(tái)結(jié)構(gòu)的作用力問題，各國(guó)學(xué)者都進(jìn)行了廣泛的研究。承臺(tái)的存在會(huì)顯著的影響波動(dòng)場(chǎng)，此時(shí)波浪的慣性力和繞射力占據(jù)主導(dǎo)，與群樁的拖曳力有著本質(zhì)區(qū)別。目前應(yīng)用最為廣泛的是Mac Camy和Fuchs[1-2]于1954年提出的繞射理論，該理論認(rèn)為波浪在到達(dá)結(jié)構(gòu)物表面后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向外擴(kuò)散的散射波，散射波和入射波疊加以后，會(huì)形成一個(gè)新的波動(dòng)場(chǎng)，因此，在計(jì)算波浪力時(shí)

過試驗(yàn)研究說明了波流耦合作用對(duì)Truss Spar渦激運(yùn)動(dòng)的影響與波浪等級(jí)、折合速度及浪流夾角等因素密切相關(guān).另外，Gon?alves等[7]也發(fā)現(xiàn)波流耦合作用下Monobr平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)幅值變化與波浪參數(shù)相關(guān).可見，波流耦合作用對(duì)平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)影響機(jī)制比較復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)Spar平臺(tái)特定的設(shè)計(jì)進(jìn)行專門的研究[8].馳振是另一種流致運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，馳振發(fā)生于來流速度很大時(shí)，通常折合速度需大于20[9].與渦激運(yùn)動(dòng)不同的是，馳振雖然也是自我激勵(lì)但是沒有自我限制.因?yàn)閬砹魉?/div>

上海交通大學(xué)學(xué)報(bào) 2021年5期2021-06-01

種環(huán)境荷載作用，波流力作為工程設(shè)計(jì)的控制荷載[2-3]，尤其對(duì)于承受上部結(jié)構(gòu)的樁基而言更是主導(dǎo)荷載，它嚴(yán)重影響整個(gè)工程的造價(jià)、安全性以及工程的使用壽命。一旦樁基結(jié)構(gòu)遭到破壞，整個(gè)海洋工程結(jié)構(gòu)將會(huì)蒙受不可估量的損失。因而研究波流力對(duì)樁柱結(jié)構(gòu)的作用是很有必要的。對(duì)于小直徑樁柱所受的波浪力，工程實(shí)際計(jì)算中仍采用Morison公式。樁基結(jié)構(gòu)在波流荷載下的動(dòng)力響應(yīng)分析中，趙暉[4]采用Winkler彈性地基梁模型模擬樁-土動(dòng)力的相互作用，由解析法給出了埋置圓樁在波-

)同時(shí)存在，這種波流共同作用下的荷載將進(jìn)一步使海床中的孔壓和有效應(yīng)力產(chǎn)生變化[1]。在一定條件下，波流荷載下的超孔隙水壓力超過土體自身的初始有效應(yīng)力，相應(yīng)土體會(huì)發(fā)生失穩(wěn)并產(chǎn)生液化[2]。同時(shí)，由于海床基槽的開挖，原有海床土體在長(zhǎng)期自然環(huán)境影響下形成的初始應(yīng)力和固結(jié)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。因此，波流作用下的海床響應(yīng)和液化評(píng)估應(yīng)該基于工程擾動(dòng)后的海床狀態(tài)。通常情況下，動(dòng)荷載作用下的海床響應(yīng)機(jī)理可以根據(jù)孔隙水壓力的產(chǎn)生機(jī)理分為兩種形式。其一是由于波浪在海床中產(chǎn)生孔隙水壓

整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量。波流作用下樁柱結(jié)構(gòu)所受的沖擊載荷已引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注。目前海上結(jié)構(gòu)物的樁柱所受的波流力的求解方法主要是莫里森方程[1]和勢(shì)流理論[2]，其中尤以莫里森方程求解小尺度構(gòu)件的應(yīng)用最為廣泛。當(dāng)構(gòu)件直徑D與波長(zhǎng)L相比很小(即D/L為了確定不同條件下莫里森方程中拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)的取值，學(xué)者們開展了大量的研究，主要包括在不同流場(chǎng)條件、不同樁柱形狀、不同樁位以及不同樁柱群的布置形式等條件下拖曳力系數(shù)及慣性力系數(shù)的變化規(guī)律。同時(shí)對(duì)于水動(dòng)力系數(shù)的求解

受的外荷載為基礎(chǔ)波流荷載和風(fēng)機(jī)荷載[2]。對(duì)于高樁承臺(tái)而言，由于風(fēng)機(jī)荷載直接作用在承臺(tái)頂部的基礎(chǔ)法蘭上，作用力由基礎(chǔ)環(huán)結(jié)構(gòu)或者高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力螺栓傳遞至混凝土承臺(tái)，由于荷載的間接傳遞，風(fēng)機(jī)荷載大部分的作用效果已經(jīng)由混凝土承臺(tái)整體轉(zhuǎn)化為樁基礎(chǔ)的軸力，其對(duì)于高樁承臺(tái)樁基礎(chǔ)的鋼管樁的影響是協(xié)同的，影響較小。波流荷載直接作用高樁承臺(tái)鋼管樁上，對(duì)樁身的應(yīng)力直接影響。而在實(shí)際工程中，波流荷載的加載方向和高度往往是隨機(jī)的，與風(fēng)機(jī)荷載呈一定的夾角，因此，了解波流荷載加載方式對(duì)樁

。從水動(dòng)力角度對(duì)波流共同作用下的淹沒圓柱周圍沖刷深度影響因素進(jìn)行分析，有助于預(yù)報(bào)淹沒圓柱局部沖深，進(jìn)而保證其安全建設(shè)與穩(wěn)定服役。早期研究主要關(guān)注波浪、水流單獨(dú)作用下，非淹沒圓柱周圍的局部沖刷深度影響因素。Breusers等[1]通過模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，主要描述了圓柱周圍的沖刷發(fā)展過程。Melville等[2]研究了均勻海床上，橋墩?qǐng)A柱基礎(chǔ)周圍局部沖刷深度隨時(shí)間的變化規(guī)律。Dargahi[3]研究了泥沙粒徑、流速和樁徑等對(duì)水流作用下圓柱周圍最大沖

海橋梁下部結(jié)構(gòu)，波流荷載(波浪和海流)是作用在墩柱上最主要的荷載，必須加以考慮和重視。群樁結(jié)構(gòu)形式作為跨海橋梁最常見的基礎(chǔ)形式之一，在波浪和海流(以下簡(jiǎn)稱波流)共同作用下，其受力與單樁有很大區(qū)別[2]。而且，在波浪的基礎(chǔ)上加入海流，使得結(jié)構(gòu)受力將變得更為復(fù)雜。圍繞著在波流聯(lián)合作用下的群樁受力問題，各國(guó)學(xué)者都進(jìn)行了廣泛的研究。Sarpakaya和Chakrabari[3]通過大量的試驗(yàn)認(rèn)為，光滑柱體的CM、CD是雷諾數(shù)Re和KC的函數(shù)；任佐皋[4]通過數(shù)理統(tǒng)

到了計(jì)算方法。而波流聯(lián)合作用的機(jī)理十分復(fù)雜，并不能簡(jiǎn)單地將兩者進(jìn)行迭加而得到。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法由于其不需實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，且可視化程度較高，因此很多學(xué)者采用數(shù)值方法對(duì)流體作用進(jìn)行研究。其中T·Kawamura[2]運(yùn)用大渦模擬研究了穿透液面的圓柱繞流；Jungsoo Suh[3]研究了氣液交界面對(duì)圓柱繞流漩渦脫離的影響；康啊真[4]建立了三維波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)學(xué)模型；馮誼武[5]通過CFX研究了圍堰所受波浪荷載。目前關(guān)于波流場(chǎng)的數(shù)值模擬，主要方法有利用邊

2時(shí)），其存在對(duì)波流場(chǎng)的影響不可忽略，計(jì)算也較為復(fù)雜［4］。本文主要對(duì)小尺度圓形直立樁柱的波浪力展開分析。2 樁柱上波浪力分析設(shè)有一圓柱體，直立在水深d的海底上，波高為H的入射波沿x正方向傳播，柱體中心軸線與未擾水面的交點(diǎn)為坐標(biāo)軸的原點(diǎn)，z軸垂直向上。波浪力計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。圖1 圓形樁柱波浪力計(jì)算簡(jiǎn)圖Morison公式認(rèn)為作用于柱體任意高度z處的水平波浪力包括兩項(xiàng)：水平拖曳力和慣性力［5］。整個(gè)柱體上的水平波浪力：式中，CD、CM分別為阻力系數(shù)和慣性力系數(shù)

應(yīng)用廣泛。在海洋波流條件影響下，潮汐能機(jī)組在反向運(yùn)行過程中的水動(dòng)力性能變化是潮汐能機(jī)組研發(fā)過程中需要考慮的重要問題。該文采用二階斯托克斯非線性潮波對(duì)海洋潮波來流進(jìn)行了模擬，建立了二階斯托克斯非線性潮波邊界下的潮汐貫流式水輪機(jī)性能分析模型并驗(yàn)證了模型的可靠性。以該模型為基礎(chǔ)，采用CFD方法，對(duì)某一潮汐貫流式水輪機(jī)在反向運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真，重點(diǎn)研究了動(dòng)態(tài)波流邊界對(duì)貫流式水輪機(jī)反向運(yùn)行時(shí)水力特性的影響。研究結(jié)果表明：1）考慮波流耦合作用時(shí)，潮波與壩體發(fā)

不可避免的會(huì)遭到波流的作用，波流力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用也是不可忽視的環(huán)境荷載[6-7].目前波流力的計(jì)算方法主要有針對(duì)大直徑柱體的繞射波流理論[8]和小直徑柱體的Morison方程[9].對(duì)于小直徑柱體而言，可忽略繞射現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)采用微幅波繞流理論求解結(jié)構(gòu)物的波流力.由于跨海橋梁結(jié)構(gòu)在水中遭受冰激振動(dòng)的作用，故波流的影響則是另一個(gè)重要的因素.目前，針對(duì)波流與海冰聯(lián)合作用下橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究比較缺乏.本文利用強(qiáng)迫振動(dòng)理論的Matlock冰激振動(dòng)模型考慮冰

樁承臺(tái)基礎(chǔ)形式。波流荷載是高樁承臺(tái)基礎(chǔ)形式穩(wěn)定性的重要影響因素之一。目前，大部分研究工作主要是針對(duì)波流荷載的計(jì)算和波流荷載對(duì)樁柱結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于波流荷載對(duì)樁基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)承臺(tái)的影響研究較少[2- 4]。因此，波流荷載對(duì)高樁承臺(tái)混凝土拉應(yīng)力影響模型的建立具有一定的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文利用ANSYS有限元軟件施加波流荷載的功能，歸納了極端風(fēng)荷載下波流荷載對(duì)風(fēng)機(jī)高樁承臺(tái)拉應(yīng)力超限區(qū)域分布的規(guī)律。1 水動(dòng)力荷載模型1.1 波浪荷載當(dāng)結(jié)構(gòu)物的特征尺寸D與波長(zhǎng)L

砼管樁和鋼管樁。波流力是柱樁所受的主要荷載[4]，直接影響著樁基的型式和斷面尺寸，對(duì)柱樁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全具有重要的影響[5]。當(dāng)波流夾角為0時(shí)，柱樁所受的波流力數(shù)值最大，因此將其作為工程波流力的設(shè)計(jì)值[6-7]。目前工程設(shè)計(jì)中常用的兩種柱樁波流力計(jì)算方法分別為：(1)根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》[8](JTS 145-2015)第10.3條和《港口工程荷載規(guī)范》[9](JTS 144-1-2010)第13章分別計(jì)算正向波浪力和水流力，再將二者線性疊加；(2)根

海域復(fù)雜的波浪、波流、以及颶風(fēng)的影響，與陸域橋梁不同，波浪力參與的作用組合，往往控制著海域橋梁下部墩柱設(shè)計(jì)。本文依托某項(xiàng)目海域橋梁，應(yīng)用有限元程序建立模型，通過對(duì)海域橋梁下部墩柱分析，以供設(shè)計(jì)人員參考。關(guān)鍵詞：下部墩柱；波浪力1.橋梁背景某海域大橋，上部采用等截面單箱單室斜腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，下部采用墻式墩+現(xiàn)澆承臺(tái)+鉆孔灌注樁。墩身尺寸采用4.8mx2.5m（橫橋向x順橋向），實(shí)心矩形倒圓角斷面。承臺(tái)為矩形，平面尺寸8.4mx8.4m。承臺(tái)底設(shè)

面狀況；A2是由波流作用引起的隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移，反映外部激勵(lì)荷載的影響；ω1是由路面不平度引起的車輛振動(dòng)圓頻率，ω1＝2πvc/L，vc為汽車的運(yùn)行速度，L為幾何不平順曲線的波長(zhǎng)，取車身長(zhǎng)；ω2是波流作用下懸浮隧道結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)引起的車輛振動(dòng)圓頻率，近似取為渦激振動(dòng)頻率，ω2＝2πSrvf/D，Sr為 Strouhal數(shù)，通常取 0.2[6]，vf為水流速度，D為管體截面寬度。該移動(dòng)振動(dòng)荷載考慮交通荷載的波動(dòng)性和周期性，并同時(shí)考慮了懸浮隧道結(jié)構(gòu)外部激勵(lì)荷載中

組合條件下的網(wǎng)箱波流力、錨繩力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與傳統(tǒng)多點(diǎn)系泊網(wǎng)箱受力結(jié)果進(jìn)行了比較，分析探討了水深、網(wǎng)衣高度對(duì)兩種系泊形式網(wǎng)箱錨繩受力的影響。1 數(shù)值計(jì)算模型1.1 波流場(chǎng)理論本研究采用線性波浪理論，根據(jù)線性速度勢(shì)滿足拉普拉斯（Δ2φ=0）方程[26]，可分別求得波面升高及速度勢(shì)表達(dá)式為：式中：A為波幅，k為波數(shù)，w為波浪頻率，h為水深，t為時(shí)間，x、z為波浪水質(zhì)點(diǎn)位置，g為重力加速度。波流場(chǎng)中的流速U為水流速度（沿水深均勻分布）和波浪水質(zhì)點(diǎn)速度之和，可

自升式平臺(tái)所受的波流載荷進(jìn)行分析研究。圖2 桁架樁腿結(jié)構(gòu)1 波流載荷計(jì)算1.1 波浪載荷在海洋工程結(jié)構(gòu)物波浪載荷計(jì)算中，將結(jié)構(gòu)物根據(jù)特征尺度D與波長(zhǎng)L的比值分為小尺度物體和大尺度物體。一般以D/L≤0.2作為小尺度物體；D/L＞0.2稱為大尺度物體。大尺度物體必須考慮繞射效應(yīng)，即物體的自由表面效應(yīng)和相對(duì)尺度效應(yīng)。由于自升式平臺(tái)桁架樁腿屬于小尺度構(gòu)件，可采用Morison公式進(jìn)行波浪載荷計(jì)算：式中：Fw為垂直作用于單位長(zhǎng)度構(gòu)件上的波浪力；FD為單位長(zhǎng)度上的拖

土管樁或鋼管樁，波流荷載是其重要的動(dòng)力作用。張衛(wèi)平采用不同樁基阻抗分析了離岸深水碼頭在規(guī)則和不規(guī)則波作用下的動(dòng)力響應(yīng)，指出樁土耦合作用對(duì)于樁柱響應(yīng)有很大影響［2］；左殿軍等采用ABAQUS有限元軟件對(duì)全直樁基礎(chǔ)在波浪和車輛雙向循環(huán)荷載作用下的受力特性進(jìn)行了分析，指出在豎向和水平雙向循環(huán)荷載作用會(huì)導(dǎo)致樁基內(nèi)力的重分布［3］；王朝陽在對(duì)波浪力和船舶撞擊力作用下全直樁碼頭的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了動(dòng)力簡(jiǎn)化計(jì)算方法，認(rèn)為全直樁碼頭的動(dòng)力響應(yīng)類似于單自由度系統(tǒng)

緊迫性.波浪力及波流力作為海洋工程的常規(guī)荷載，此方面的研究開展較早［1-3］，最初的莫里森(Morison)方程［1］只用來計(jì)算立于水中剛性樁柱的波浪力.Penzien 和 Kaul［4］將 Morison 方程應(yīng)用于計(jì)算水中結(jié)構(gòu)地震動(dòng)水壓力.針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震動(dòng)水壓力問題，許多學(xué)者［5-8］已開展了相關(guān)方面的研究，并取得了一些成果，這里均假定地震前結(jié)構(gòu)處于靜水中，忽略了流體的流動(dòng)性(未考慮波浪和水流的影響).現(xiàn)階段開展大型水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)存在諸多困難，對(duì)于深

廣東省珠海航道局波流共同作用下河口泥沙運(yùn)動(dòng)及地形演變數(shù)值模擬研究進(jìn)展呂曉瑩1文 藝2陳昌亮1林偉龍1/1.廣東省海洋發(fā)展規(guī)劃研究中心 2.廣東省珠海航道局河口區(qū)域動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，河流動(dòng)力、海洋動(dòng)力在此交匯。波浪、潮流是泥沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，河口區(qū)域泥沙活動(dòng)劇烈，長(zhǎng)期來看影響河口地形發(fā)育演變，因此對(duì)波流耦合作用下河口泥沙運(yùn)動(dòng)及地形演變進(jìn)行數(shù)值模擬具有重要的實(shí)用價(jià)值及工程意義。本文介紹了在河口區(qū)域波流共同作用數(shù)值模擬、在波流共同作用下泥沙運(yùn)動(dòng)及地形演變模擬方面的研

發(fā)育演變，因此對(duì)波流耦合作用下河口泥沙運(yùn)動(dòng)及地形演變進(jìn)行數(shù)值模擬具有重要的實(shí)用價(jià)值及工程意義。本文介紹了在河口區(qū)域波流共同作用數(shù)值模擬、在波流共同作用下泥沙運(yùn)動(dòng)及地形演變模擬方面的研究進(jìn)展。【關(guān)鍵詞】波流共同作用；泥沙運(yùn)動(dòng)；數(shù)值模擬；地形演變河口區(qū)域動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，河流動(dòng)力、海洋動(dòng)力在此交匯，泥沙活動(dòng)劇烈。波浪、潮流是泥沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，“波浪掀沙、潮流輸沙”?span id="j5i0abt0b" class="hl">波流共同作用下的河口泥沙運(yùn)動(dòng)的重要機(jī)制，在波流作用下泥沙起動(dòng)、輸運(yùn)、沉積、再懸浮，長(zhǎng)期來看影響著河

熱敏式剪應(yīng)力儀在波流動(dòng)力研究中的應(yīng)用徐 華1,3,4,*,夏云峰1,3,4,蔡喆偉1,3,4,郝思禹1,2,3,4,張世釗1,3,4(1.南京水利科學(xué)研究院,南京 210029;2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210098;3.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098;4.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210024)河口海岸泥沙運(yùn)動(dòng)直接受制于床面剪應(yīng)力的大小,因此通過床面剪應(yīng)力來研究泥沙運(yùn)動(dòng)基本問題是泥沙運(yùn)動(dòng)理論研

計(jì)算，而較少考慮波流聯(lián)合效應(yīng)產(chǎn)生的沙紋，也未將其應(yīng)用于綜合的水動(dòng)力模式和沉積物輸運(yùn)模式。本文在POM水動(dòng)力模式中嵌入新南威爾士大學(xué)泥沙模式，通過耦合波流共同作用的微地形模型與波流相互作用底邊界層模型，發(fā)展了波浪-海流-微地形(沙紋)耦合的沉積動(dòng)力模式。本文將該模式應(yīng)用于澳大利亞Jervis灣，針對(duì)波主導(dǎo)和波流聯(lián)合主導(dǎo)沙紋兩種類型，分別進(jìn)行了沙紋發(fā)展?fàn)顟B(tài)、幾何形態(tài)的分布及懸浮泥沙的模擬。結(jié)果表明：波致沙紋比波流聯(lián)合作用的沙波具有更大的波高和波長(zhǎng)，因此當(dāng)波主導(dǎo)

柱鏤空型人工魚礁波流水動(dòng)力特性數(shù)值模擬蔣 為1，趙云鵬1，畢春偉1，崔 勇2，李 嬌2（1大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024；2中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島266071）研究人工魚礁在波流作用下的水動(dòng)力特性，對(duì)于人工魚礁的設(shè)計(jì)具有重要的意義。基于有限體積法，采用邊界造波，利用自由表面捕捉法（VOF）捕捉自由水面，建立了可以分別模擬純波、均勻流以及波流共同作用下人工魚礁水動(dòng)力特性的多功能三維數(shù)值波流水槽?；谠摂?shù)值模

展望．跨海橋梁；波流力；動(dòng)水壓力；流固耦合；水下振動(dòng)臺(tái)0 引 言近年來，我國(guó)跨海橋梁的建設(shè)速度呈現(xiàn)空前增長(zhǎng)的趨勢(shì)，蘇通大橋、杭州灣大橋和青島海灣大橋等跨海大橋已投入使用，港珠澳大橋即將建設(shè)完工，瓊州海峽跨海大橋已進(jìn)入可行性建設(shè)方案論證階段，我國(guó)高速公路網(wǎng)規(guī)劃方案中的臺(tái)灣海峽和渤海海峽等規(guī)模更大的跨海通道工程，不同程度地進(jìn)行著前期探索和研究工作．與陸地橋梁所處的自然條件相比，跨海橋梁所處的海洋環(huán)境更為惡劣和復(fù)雜，其服役期內(nèi)要承受多種時(shí)變自然荷載(波浪、海流和

200135)波流作用下柔性立管載荷響應(yīng)數(shù)值分析吳梓鑫， 陳昆鵬 (上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)結(jié)合商用軟件Fluent 14.5自定義函數(shù)(UDF)功能，采用速度邊界造波法和阻尼消波技術(shù)，通過流體體積函數(shù)(Volume of Fluid, VOF)追蹤自由液面，建立波浪、波流數(shù)值水池。采用雙向耦合分離法思想，借助Workbench 14.5流固耦合模塊System Coupling將流域和結(jié)構(gòu)域計(jì)算數(shù)據(jù)交

防浪效果的影響。波流混合作用；直立潛堤；時(shí)域模擬；高階邊界元；波浪反射系數(shù)Abstract:In order to study the effect of steady uniform flow on wave reflection coefficient of vertical submerged rectangular breakwater,the higher-order boundary element method (HOBEM) and the

升式海洋平臺(tái)承受波流耦合力等多種載荷的影響，平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效和平臺(tái)結(jié)構(gòu)破壞時(shí)有發(fā)生。為了使得海洋平臺(tái)安全使用壽命獲得延長(zhǎng)，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究需要不斷深入。本文以自升式海洋平臺(tái)作為研究對(duì)象，通過Ansys 有限元軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究。1 自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)由于受到各種海洋環(huán)境的考驗(yàn)，海洋平臺(tái)在工作時(shí)受到風(fēng)、浪、流等外部載荷的影響。諸如海洋平臺(tái)楔塊等結(jié)構(gòu)構(gòu)件面臨不同程度的損耗過快、壽命低下的缺陷，需要頻繁更換。為了保證海洋平臺(tái)更加合理安全運(yùn)作，對(duì)于目前自升式海洋

破碎.因此，研究波流的相互作用是開發(fā)海洋需要解決的關(guān)鍵問題，受到了國(guó)內(nèi)外科研人員的重視.1911年，Rayleigh發(fā)現(xiàn)在潮汐中存在著波流的相互作用.文獻(xiàn)［1-3］中通過實(shí)驗(yàn)研究了水流對(duì)波浪要素的影響;文獻(xiàn)［4-5］中在數(shù)值理論方面做出了一定的貢獻(xiàn).但是，波流相互作用是極其復(fù)雜的非線性問題，其流動(dòng)機(jī)理和作用特性仍需深入研究.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，數(shù)值水池已具備了信息量豐富、計(jì)算結(jié)果精確的特點(diǎn)，加上其成本低、改變條件方便、重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)，數(shù)值水池已經(jīng)成為國(guó)際

輸移的影響會(huì)遭受波流的強(qiáng)烈沖刷，給平臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和正常使用帶來巨大隱患。因此，考慮各種水動(dòng)力因素對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷的影響，便于在設(shè)計(jì)和施工中采取必要的工程防護(hù)措施，對(duì)保證結(jié)構(gòu)在使用期間的安全有重要意義。目前，各國(guó)學(xué)者對(duì)波流作用下的橋墩、防波堤、人工島、大尺度圓柱結(jié)構(gòu)物的局部沖刷都進(jìn)行了詳細(xì)的研究探討，得出了一定的研究成果。對(duì)于單向水流作用下的圓柱周圍的局部沖刷機(jī)理及沖刷的發(fā)展過程已經(jīng)基本明了，對(duì)于波浪作用下小直徑圓柱周圍的局部沖刷只進(jìn)行為數(shù)不多的試驗(yàn)，并沒

在設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確計(jì)算波流力的大小，對(duì)于工程的可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義。而對(duì)于跨海橋梁基礎(chǔ)的波浪（流）力計(jì)算，相關(guān)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有可供使用的計(jì)算方法。目前，在跨海橋梁設(shè)計(jì)中，前期規(guī)劃研究階段參考使用《海港水文規(guī)范JTJ213-98》［1］中的計(jì)算方法進(jìn)行估算，在橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，需通過專門的波浪水流數(shù)學(xué)模型或物理模型試驗(yàn)來確定橋梁基礎(chǔ)所受的波浪（流）力，已建或在建的杭州灣跨海大橋、舟山連島金塘大橋、東海大橋、港珠澳大橋等都采用了此種方式。筆者在

流荷載(以下簡(jiǎn)稱波流力)為其主要的環(huán)境荷載，通常也是SFT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載和影響工程造價(jià)的主要因素［1］。工程上，一般不考慮波浪和水流的相互作用，將波浪荷載和水流荷載分別求解。但是，在水流作用下，波浪荷載將發(fā)生明顯改變，可見在海洋工程結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算中必須正確考慮水流對(duì)波浪要素的影響［2］。作用于海洋結(jié)構(gòu)物上的波流荷載計(jì)算主要有兩種方法［3］:一是1950年由Morison等提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法，主要用于計(jì)算結(jié)構(gòu)物橫向尺寸與波長(zhǎng)相比較小時(shí)，作用在結(jié)構(gòu)物上的波

文針對(duì)墩柱結(jié)構(gòu)在波流場(chǎng)中的流固耦合問題，利用流固耦合軟件MpCCI將ABAQUS與FLUENT軟件相連接，在波流場(chǎng)域中對(duì)圓柱構(gòu)件及方柱構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了兩種截面形式立柱構(gòu)件拖曳力系數(shù)的數(shù)值解。1 流固耦合方法本文采用MpCCI技術(shù)實(shí)現(xiàn)波流場(chǎng)與立柱構(gòu)件的耦合計(jì)算。耦合軟件MpCCI為數(shù)值模擬提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞的平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)不同數(shù)值模擬軟件在定義耦合區(qū)域上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的交換。在流固耦合計(jì)算過程中，F(xiàn)LUENT計(jì)算的耦合區(qū)域作用在固體結(jié)構(gòu)邊界上的力，并以節(jié)

003）考慮流及波流聯(lián)合作用，研究了套管的渦激非線性振動(dòng).將套管簡(jiǎn)化為梁模型，考慮3類不同的邊界條件，計(jì)及莫里森非線性流體動(dòng)力和渦激荷載，建立套管的渦激振動(dòng)方程。應(yīng)用克雷洛夫函數(shù)求解套管的固有頻率和模態(tài)，采用了計(jì)算渦激非線性動(dòng)力響應(yīng)的迦遼金方法。以東?？碧?號(hào)鉆井隔水套管為例，研究了不同邊界條件下流引起的主共振和波流聯(lián)合引起的組合共振。計(jì)算結(jié)果表明：流對(duì)套管的動(dòng)力響應(yīng)占主導(dǎo)地位，而波的影響不大。分析了3類不同邊界條件下隔水套管的渦激非線性動(dòng)力響應(yīng)，揭示了波

采用頻域方法研究波流混合與結(jié)構(gòu)物的作用問題[6-8],采用時(shí)域方法研究波流混合與結(jié)構(gòu)物作用的線性問題[9].高階邊界元法作為目前國(guó)際上先進(jìn)的算法之一,已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,特別是在非線性水波問題的時(shí)域模擬方面.然而在完全非線性波流混合作用方面的應(yīng)用還不多見.本文將采用時(shí)域高階邊界元方法建立波流混合作用的完全非線性數(shù)值水槽模型,研究波流混合作用與純波浪相比的波面變化及非線性變化情況.1 數(shù)學(xué)模型1.1 控制方程和邊界條件在假定流體無粘和流動(dòng)無旋的前提下