考虑倾斜角度的T梁与箱梁极端波浪作用受力研究

近海桥梁所处海洋环境极为复杂,极易受到海啸及风暴潮等极端波浪灾害的威胁,倾斜的T形与箱形桥梁上部结构不同的截面形式在极端波浪作用下所受波浪力存在较大差异,应对其进一步研究比较并区别考虑。通过数值模拟方法以孤立波模拟海啸极端波浪,开展极端波浪对倾斜桥面结构影响的数值研究。首先对数值水槽中的波浪模拟效果及波浪力计算准确性进行验证,在此基础上,研究不同淹没深度、波高及桥面倾斜角度变化条件下T梁和箱梁所受波浪力特点,并比较两者受力差别。研究结果表明:总体上,波高越高两种主梁所受竖向力、水平力和弯矩越大;T梁与箱梁水平力峰值和竖向力峰值往往发生在负倾角范围;T梁与箱梁处于未淹没状态时受波浪砰击影响,所受波浪力主要由砰击力主导,T梁受梁肋间空区影响,发生多次砰击作用,箱梁发生单次砰击作用,主梁截面形式对主梁所受波浪力影响显著。半淹没情况下,在相同波高和倾角条件下T梁竖向力和水平力峰值均大于箱梁竖向力和水平力峰值,由负倾角所主导。全淹没情况下,主梁主要受极端波浪动水压力作用,T梁与箱梁空区被水体填满,两者腹板几何形状对竖向动水压力影响较小,而对水平力峰值有显著影响。

极端波浪与海洋结构物的强非线性作用研究综述

鉴于极端波浪的极大破坏力,其与海洋结构物的强非线性作用研究正日益受到重视。为了评估极端波浪可能带来的严重破坏,有必要对极端波浪作用下海洋结构物的波浪爬升与抨击、强非线性波浪力、结构载荷与运动响应等问题开展深入研究。国内外许多学者采用数值计算、模型实验及小波分析等手段对这些问题开展了探索研究,获得了一些有益的研究结论。该文对极端波浪与海洋结构物相互作用的研究现状和现有结论作了综述,可为进一步开展深入研究提供有益参考。

极端波浪对海洋导管架平台的作用及其模型试验研究

通过极端波浪对海洋导管架平台作用力的模型试验，对极端波浪的作用进行了探讨。首先在常规波浪力计算公式的基础上，提出了极端波浪作用下的简易计算方法，并结合国外相应研究成果，提出了三个简易计算表达式；在对模型试验数据的分析基础上，给出了上述三个简易计算公式中的系数，从而得到极端波浪作用下的波浪力计算表达式。

极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构流固耦合特性研究

跨海桥梁面临着海洋环境中极端波浪的巨大威胁,波浪-结构的耦合作用特性是跨海箱形桥梁上部结构的极端波浪设计中需考虑的关键问题。采用OpenFOAM程序基于有限体积法离散不可压缩流体的Naiver-Stokes方程,并结合SST k-ω湍流模型模拟极端波浪的生成、传播及冲击作用,以弹簧-质量-阻尼系统模拟箱梁上部结构运动体系,并基于动网格方法构建极端波浪与箱梁上部结构相互作用的多相流耦合模型。通过与模型水槽试验结果和已有文献的仿真结果的对比验证该耦合模型的有效性,随后利用该耦合模型探究了波浪参数、结构特性及约束刚度等参数对箱形桥梁上部结构波浪荷载、动力特性及支座力的影响规律。结果表明:结构与流体的耦合效应导致箱形桥梁上部结构所受波浪荷载的波动增大和极值减小,其中水平波浪力最大降低28%,竖向波浪力最大降低22.5%,考虑流固耦合能更为合理地反映极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构的实际波浪荷载;随着结构自振周期的增大,箱形桥梁上部结构所受的水平弹簧约束刚度下降,进而导致箱形桥梁上部结构的水平位移增大;在跨海桥梁上部结构的支座设计中不仅需要考虑上部结构所受波浪荷载,还应考虑结构运动及流固耦合效应对支座力的影响。

珊瑚岛礁护岸对礁坪上极端波浪传播特性的影响

极端波浪要素是珊瑚岛礁护岸工程设计的重要参数。利用大比尺波浪水槽,采用1∶15的模型比尺开展试验,从波浪形态、增水、波速、波谱等方面研究了珊瑚岛礁护岸对礁坪上极端波浪传播特性的影响规律。护岸工程产生了明显的阻水效应:对于波浪形态,反射波的影响使得波浪在礁缘破碎更为剧烈;显著增加了礁坪增水,最大增水值是自然地形下的4倍,影响在波周期较短时更为显著;减小了波速约20%~35%,其影响随波周期的减小而增强;对于波谱,护岸的存在使得波浪的非线性相互作用更加复杂,降低了波浪在礁缘处的主频能量,但同时增大了礁坪上的主频及高频能量;护岸距礁缘距离对堤前水位具有重要影响,随该距离的增加,堤前时均水位先增加后降低。

极端波浪荷载作用下近海桥梁下方海床瞬态液化稳定性研究

为研究极端波浪荷载作用下近海桥梁下方密实海床的瞬态液化稳定性,通过求解RANS方程和Biot方程,建立了极端波浪作用下箱梁下方密实海床动力响应的有限元数值模型。将该模型与以往试验结果对比,验证了该模型的准确性,基于此模型进一步研究了极端波浪作用下箱梁周围的波浪压力场分布及波浪特性、淹没深度对桥梁下方密实海床瞬态液化稳定性的影响。研究结果表明:处于淹没状态的箱梁对周围波压场影响较大,箱梁迎浪侧密实海床的瞬态液化深度大于背浪侧,液化深度幅值距离箱梁1/10~1/8波长范围内达到最大;随着波高与波浪周期的增大,箱梁左、右两侧密实海床瞬态液化深度均增大;在迎浪侧,当箱梁刚好完全被淹没时,海床瞬态液化深度最大,而在背浪侧,随着淹没深度增加,箱梁下方海床趋于安全。其研究结果可为跨海桥梁安全性分析提供参考。

海南岛东北部海岸极端波浪事件沉积记录

建立长时间尺度台风序列对于预测未来超强台风的活动规律具有重要科学和实践意义。历史上影响海南岛地区的台风十分频繁,但因缺少确切而详实的记载往往无法判断其是否为超强台风,因此迫切需要寻找千百年尺度的超强台风沉积记录。本文对海南岛东北部翁田镇沿海地区进行详细野外调查,选定白石堡海岸沙丘剖面为研究对象,在该沙丘剖面中识别出风暴越岸沉积和海滩岩巨砾沉积。根据沉积学分析和动力过程分析,这两种类型沉积极有可能是由历史上的台风事件形成,形成年代可能达到距今3 400 a;将该沉积层中的海滩岩巨砾与台风"威马逊"搬运的最大海滩岩巨砾进行对比,发现形成该沉积层海滩岩巨砾的台风事件强度应比台风"威马逊"更强,表明该区域历史上超强台风的存在,这对建立千百年尺度的台风序列有很重要的意义。同时,研究区岸外珊瑚岸礁发育良好,动力分析表明礁坪宽度对于波浪消减、海岸防护具有显著作用。然而,随着海南岛珊瑚岸礁日益衰亡、风暴强度逐渐加大和海面持续上升,未来海南岛地区的海岸极端风浪危害和海岸侵蚀形式威胁正日益加大,亟待加强海南岛珊瑚岸礁保护。

极端波浪作用下海上施工栈桥承载性能评估

海上施工栈桥作为一种可以快速装配的施工辅助设施,在跨海大桥建设中得到广泛应用。为研究海上施工栈桥在极端波浪作用下的结构性能,基于波浪增量分析(IWA)理论,提出海上施工栈桥承载性能评估方法。以某在役海上施工栈桥为例,考虑杆件弹塑性和节点局部柔性建立结构非线性分析模型,评估了海上施工栈桥在不同方向极端波浪荷载作用下的结构承载性能及倒塌失效模式。研究表明,随着极端波高逐渐增大,栈桥依次出现首次屈服、塑性铰和倒塌起始三种非线性行为点,结构将依次经历正常使用、可以使用、临近倒塌和倒塌破坏四个承载性能状态;波浪入射方向对于海上施工栈桥的承载性能和倒塌失效模式影响较大;海上施工栈桥的主要薄弱部位位于钢管桩桩底及其与支撑框架下横撑相交的节点处,应在设计中重点关注。

随机波列中极端波浪波形和波高分布的数值试验研究

极端波浪对近岸和海洋结构物存在着极大威胁,结构物的设计必然需要考虑极端波浪的影响,因此对波浪波高分布和极端波浪波形的研究对工程设计有重要的意义。为了能够准确地预测各种海况下波浪的分布和结构物的响应,本文在二维数值非线性波浪水槽中模拟了有限水深中随机波浪的传播过程产生的极端波浪,分析了谱参数对极端波浪波形的影响,并对比随机波浪的波高和波峰分布与理论分布。Tromans提出的新波模型从概率角度给出了极端波浪最有可能波形。结果表明:三阶新波模型能够较好地描述极端波浪的波形;但是在波陡较大时,实际波浪更为陡峭,并且具有明显的高波峰浅波谷的特点,新波模型的误差增大。MER分布和三阶Tayfun分布在极端波高范围内能够较好地吻合实际波高分布,而二阶Tayfun分布和Forristall分布仅适用于波陡较小情况的极端波出现概率预测。

极端波浪条件下深水导管架基础结构波浪总力试验研究

波浪力对海上风电深水导管架基础结构的稳定性和安全性至关重要。通过波浪物理模型试验对极端波浪条件下深水导管架基础结构的波浪总力进行了试验研究,试验水深包括50m和70m两种,在1000a一遇波浪条件下,分别分析了深水导管架结构所受的波浪总水平力和垂直力。研究结果表明:相同重现期极端波浪作用下,70m水深情况下的导管架结构波浪总水平力小于50m水深的结果,但是70m水深的导管架结构波浪总水平力弯矩大于50m水深的结果;相同水深、水位和波浪条件下,导管架结构受到的波浪总垂直力明显小于波浪总水平力;在相同重现期极端波浪作用下,低水位情况时70m水深的导管架结构波浪总垂直力与50m水深的结果差别不大,但是在高水位时,由于在70m水深的极端波浪条件下波峰可冲击作用到上部平台底面,70m水深的导管架结构波浪总垂直力明显大于50m水深的结果。

极端波浪载荷下导管架平台抗倒塌性能评估

提出载荷序列增量分析(LSIA)方法,对极端波浪载荷下导管架平台结构极限状态进行分析。LSIA能够考虑不同波高及可能的甲板上浪载荷对平台侧向载荷分布的影响,'追踪'平台在不同载荷重现期作用下的真实响应,从而克服当前Pushover的缺点。基于LSIA等效承载能力曲线,提出倒塌重现期NCP,使得平台抗倒塌能力评估指标具体化。以K型和X型两种不同结构形式的导管架平台为例,采用LSIA方法对其进行抗倒塌性能评估,并与Pushover进行分析对比。结果表明,LSIA具有更高的评估精度,能够确定平台结构真实的倒塌状态与失效模式。

浅谈极端波浪产生机理及数值波浪水槽的建立

该文提出极端波浪的内涵及其产生的原因,利用波群速方法在建立边界元数值波浪水槽基础上通过多个波分量聚焦产生极端波浪。但模拟极端波浪建立数值波浪水槽的可行性、数值波浪水槽模拟非线性波浪的可行性,正确性和精确性有待比较,验证。

极端波浪作用下跨海大桥桥塔施工期的动力响应

以琼州海峡大桥为研究对象,根据Morison方程,分别运用Airy线性波、Stokes二阶波和Stokes五阶波进行了数值造波,分析了三种波浪理论模拟的波面升高以及波浪荷载特点,在此基础上将计算的波浪力时程作用于桥塔有限元模型,研究了施工期桥塔的动力响应特点。

钢管桩基础周围海床在极端波浪作用下的瞬时液化分析

以广东某原油码头工程为例,基于不可压缩粘性流动的Navier-Stokes方程和Biot固结理论,建立极端波浪作用下钢管桩周围密实海床的有限元数值模型,得到海床动力响应的过程。通过敏感性分析的方法探讨波高、水深、桩径对瞬时液化深度的影响。其研究结果为可为工程项目提供解决工程问题的思路,也为类似工程提供安全性的参考。

某海域极端环境下15万吨级FPSO波浪荷载数值研究

目的评估在役15万吨级FPSO在某海域百年一遇极端波浪作用下典型横剖面的水动力特性,进而得到FPSO的极值荷载,作为FPSO返坞改造的关键控制参数。方法基于国产自主三维频域线性势流软件COMPASS-WALCS,建立15万吨级FPSO湿表面网格模型,根据三维绕射-辐射理论,计算湿表面上的水动力荷载,将每个绕射单元上的水动压力直接映射到结构模型上进行计算。采用谱分析方法对百年一遇海况进行分析,得到短期运动极值响应。对响应幅值算子(RAO)和波能谱密度进行谱分析,得到极端波浪下的响应谱,进而得到浮体运动和波浪荷载短期预报各种统计值,利用统计方法求得短期响应的最大值。结果计算了船中部Fr143横剖面的载荷极值,即垂向弯矩、垂向剪力、剖面型心加速度等,发现船舶迎浪时弯矩值最大,随着浪向角增大,弯矩值逐渐减小,剖面垂向剪力则随着浪向角增大逐渐增大。结论FPSO在极端波浪作用下,其大迎浪角条件下荷载更加危险,需要给予格外关注。

极端波浪对跨海桥梁上部结构作用研究

通过物理模型实验和数值模拟相结合的方法,利用能量聚焦方式模拟产生极端波浪,开展极端波浪对跨海桥梁上部结构作用的模拟研究.重点分析不同淹没状态下桥梁上部结构受极端波浪作用时的波面变化、桥梁底部压强及整体波浪力变化,探究桥梁上部结构发生损坏的可能原因.结果表明:未淹没情况下,桥梁主要受波浪砰击力作用,砰击力是造成桥梁上部结构发生损坏的可能原因;半淹没和全淹没情况下,桥梁主要受动水压力作用,倾覆力是造成桥梁上部结构发生损坏的可能原因;桥梁所受水平波浪力随着净空减小而逐渐增大,直至桥梁全淹没后趋于稳定,所受竖直波浪力则在净空为零时最大.

非定常风作用下极端波浪统计特性初探

为探究风对极端波浪产生的影响,基于波浪的Benjamin-Feir不稳定性,在二维海洋工程水池中开展实验,对非定常风作用下具有随机相位的波场进行了长时间的模拟.本文通过对波浪有效波高、峰度及偏度的统计,分析了风对波浪演化过程中统计特征的影响,并进一步研究了波浪能量谱对风的响应.实验结果表明,具有较大Benjamin-Feir指数的波浪,在非定常风作用下常伴有破碎现象,导致波浪有效波高显著下降,峰度则呈现增大趋势.通过对波浪能量谱的分析得到,波浪破碎导致能量谱峰值的下降,波浪从风中所获得的能量主要集中在波浪的高频部分.本研究旨在通过对极端波浪的统计学研究,为海上浮式结构物的设计、建造及极端波浪的预报提供依据,降低极端波浪所造成的危害.

跨海桥梁箱梁结构受波浪力作用试验研究

为研究近海桥梁箱梁结构在风暴潮和飓风波浪作用下的灾变毁坏问题,以平潭海峡公铁两用大桥的水文条件和结构参数为基础,开展1∶30水槽模型试验研究箱梁结构所受波浪力作用。考虑不同梁体高程、淹没深度和浪高参数对梁体波浪力的影响,分析不同波浪条件下梁体受到的波浪力特点,以及波浪力峰值在不同参数影响下的变化规律。研究结果表明:波浪力包含准静力和抨击力两种成分,当淹没深度较低时抨击力作用较大,并随淹没系数的增加而不断减小;梁体处于淹没状态时,梁体底部所受的浮托力作用大大减轻梁体的有效自重,在水平向波浪力和倾覆弯矩的联合作用下导致梁体的脱落破坏;当淹没系数为1.5时,箱型梁体所受的浮托力达到最大,梁体在此条件下最容易发生脱落。

基于非静压模型的波浪空间聚焦研究

为研究波浪聚焦特性,分析极端波浪的产生机理,采用非静压模型通过数值模拟的方法对波浪聚焦的影响因素进行了详细研究。本文采用SWASH非静压波浪模型,模型垂向均匀分三层以保证足够的色散精度以及非线性精度来高效准确的模拟波浪在变化地形上的传播。研究发现在最大波浪未发生破碎时,波浪在半圆形凸起斜坡浅滩上传播,波浪聚焦是波高增大的最主要原因。初始kR(波数与浅滩半径乘积)值对波浪在该地形上的聚焦特性有着重要影响。初始kR越大,最大波高位置距聚焦地形坡脚的距离越远。当kR在1.4π~4.05π之间时,随着kR的减小,最大相对波高先增大后减小,当kR=2.45π时,最大相对波高达到极大值,可达2.48倍初始波高。

边界元法数值波浪水槽的建立及模拟

理想的数值波浪水槽是以边界元法为基础建立的,通过边界积分方程的求解模拟了波浪的生成、传播、变形,并用线性元法对积分方程进行离散求解,得到波浪水槽不同时刻整个波浪场的状态。最后对计算值和理论解进行了验证,结果表明二者吻合较好,此结论为研究在波浪水槽中模拟极端波浪奠定了基础。