基于势流理论的大型桥墩结构波浪作用研究

论文摘要

跨海桥梁桥墩结构多为固定于海床上的柱状结构,该类型结构在波浪作用下会产生明显的波浪绕射现象。为了保障跨海桥梁在施工和运营期的安全,合理地确定大型桥墩结构在建造和全寿命服役期内遭受的波浪荷载,成为桥梁及海洋工程学科中的重要研究课题之一。上世纪50年代,相关学者提出了针对于圆形截面柱体的线性波浪绕射理论,后续理论研究也多以圆形或椭圆形截面柱体为研究对象开展波浪绕射理论的研究。对于大型斜拉桥和悬索桥桥墩而言,圆形截面并非首选,而多采用类椭圆截面。针对该类截面柱体的波浪绕射现象目前理论求解方法研究尚少。因此,建立一套合理的非圆形截面直立柱体波浪作用的理论分析方法,不仅可以为跨海桥梁桥墩的波浪作用计算提供新的途径,而且对更深入地了解该类结构的波浪作用机理具有重要的意义。针对上述问题,本文以跨海桥梁桥墩结构为研究对象,基于势流理论建立了分析该类非圆光滑截面柱体的波浪绕射作用理论模型,主要研究内容、方法和结果如下:(1)在势流理论框架下,建立了底部固定非圆光滑截面直立柱体波浪绕射理论求解方法。该方法将柱体截面半径函数、Bessel函数和Hankel函数等展开为有限项傅里叶级数,代入绕射波速度势函数和边界条件中求得速度势函数中的待定参数,以计算流场域总速度势函数及各个结构上的波浪力、基底弯矩和波爬等。基于该方法进一步分析了余弦扰动截面柱体上的波浪作用随截面扰动值、波数和入射波攻角等参数的变化规律;(2)针对不同海况下类椭圆桥墩阵列的波浪作用问题,建立了非圆光滑截面直立柱体阵列波浪绕射理论求解方法。采用该方法分析了圆形、类椭圆和类三角形截面双柱体和四柱体阵列的波浪荷载变化规律,并对四柱体工况下的波浪近似捕获现象及其散射频率分布进行了分析;(3)针对施工期间悬浮在水中的类椭圆截面的沉箱式桥墩结构的波浪绕射作用,提出了适用于浮式非圆光滑截面柱体的理论求解方法。求解过程中针对傅里叶展开函数进行了收敛性分析。通过理论与数值计算和试验结果的对比分析,验证了所提出理论求解方法的正确性,并对施工期间类椭圆截面沉箱在不同淹没深度下的波浪力进行了计算分析;(4)在势流理论框架下,提出了一种基于柱体表面液面时程监测数据的波浪荷载计算方法。该方法建立了液面时程数据与柱体结构侧表面压强的间接对应关系,并通过结构表面压力积分获得结构上的实时波浪荷载。进一步开展了圆形柱体的水动力试验,并基于试验波爬测试数据计算得到的波浪力与实测数据的对比分析,验证了该方法在波浪稳态过程和非稳态过程的准确性,讨论了理论模型简化所带来的频谱误差。(5)针对多孔结构的波浪防护问题,建立了非圆光滑截面直立柱体防护系统的波浪作用理论求解模型,研究了不同开孔率下波浪与结构的相互作用机理,得到了不同区域的波浪液面幅值与入射波参数的对应关系,以及外层多孔防护结构和中心柱体结构所受到的荷载作用变化规律。随后通过水动力试验验证了该方法的准确性,并分析了波陡对结构上波浪荷载的影响规律以及理论模型的求解误差,最后给出了面向工程设计的简易波浪荷载作用计算方法。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 课题来源

1.3 小尺度柱体结构的波浪作用研究现状

1.4 大尺度柱体结构的波浪作用研究现状

1.4.1 底部固定单柱体波浪作用

1.4.2 底部固定多柱体波浪作用

1.4.3 浮式柱体结构的波浪作用

1.5 桥墩结构的波浪力实时估计

1.6 海洋工程多孔防护结构

1.7 本文的主要研究内容

第2章非圆光滑截面单直立柱体波浪作用分析

2.1 引言

2.2 非圆形截面单直立柱体波浪作用模型

2.2.1 理论推导

2.2.2 数值验证

2.3 余弦扰动截面波浪作用

2.4 类椭圆桥墩波浪作用

2.5 本章小结

第3章非圆光滑截面柱体阵列的波浪作用

3.1 引言

3.2 非圆光滑截面柱体阵列波浪作用模型

3.2.1 理论推导

3.2.2 数值验证

3.3 四柱体阵列波浪作用

3.4 桥墩阵列波浪作用

3.5 本章小结

第4章非圆光滑截面浮式柱体波浪作用

4.1 引言

4.2 非圆光滑截面浮式柱体线性波浪作用模型

4.2.1 理论推导

4.2.2 数值验证

4.3 类椭圆沉箱结构的波浪作用

4.4 本章小结

第5章基于液面时程数据的波浪作用确定方法

5.1 引言

5.2 数学模型及理论推导

5.3 试验验证与分析

5.3.1 试验设置

5.3.2 试验结果

5.3.3 误差分析

5.4 本章小结

第6章多孔柱体结构的波浪防护作用

6.1 引言

6.2 多孔柱体系统波浪作用的理论模型

6.2.1 理论推导

6.2.2 方法验证

6.3 类椭圆桥墩的多孔波浪防护试验

6.3.1 试验设置

6.3.2 试验结果分析

6.4 余弦扰动截面多孔柱体系统波浪作用研究

6.5 类椭圆多孔柱体系统受力简化计算公式

6.6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘嘉斌

导师: 郭安薪

关键词: 绕射波,非圆光滑截面,柱体,势流理论,波浪力,波爬

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,公路与水路运输,水利水电工程

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 交通运输重大科技专项课题“特大型桥梁风-浪-流耦合作用研究(2011318494150)”,国家科技支撑计划课题“村镇区域防洪关键技术研究(2014BAL05B02)”,国家自然科学基金杰出青年基金“桥梁多灾害及控制(51725801)”

分类号: U443.22;P731.22

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000200

总页数: 139

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