规则波浪作用下桩基础波浪力试验分析_陈文兴.pdf

FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期随着我国经济的高速发展，大跨度结构大量涌现在沿海地区。在海上结构设计初期，先采用JTS145-2-2013海港水文规范的方法估算波浪力，在结构基础的设计阶段，需通过CFD数值模拟或者物理试验模型方法确定结构基础所受波浪力大小，已建的港珠澳跨海大桥正是采用了这一方法1。目前我国结构设计规范中，对海上结构的波浪力计算还没有明确的技术规范。在极端恶劣天气条件下，波浪的巨大冲击力会导致海上结构产生不可修复的破坏。波浪力作为海上结构的控制荷载，探究波浪荷载对海上结构的影响是十分重要的。波浪荷载对海上结构的影响是一个典型的流固耦合问题，依据桩基础对波浪运动的影响程度，从大尺度桩基和小尺度桩基2种情况考虑波浪力问题。1950年Morison2提出当桩基桩径与波浪波长之比小于0.2（D/L0.2，桩基会破坏波浪的形态，此时入射波会受到反射波、折射波和绕射波的影响，波浪产生非线性的变化，波浪力的计算变得更为复杂。目前采用2种方法计算大尺度桩基波浪力：（1）由MacCamy、Fuchs等6-7在1954年提出的绕射理论，假定流体是无粘的，运动是有势的，将结构物作为波动着的流体边界的一部分，先找出结构物边界上结构物对入射波的散射速度势和未受结构物扰动的入射波的速度势，两者迭加后即为结构物边界上扰动后的速度势，应用线性化的贝努利方程取得了精确的解析解；（2）Froude-Krylov8假定波浪传播的过程中不因结构物的存在发生形态变化，先利用Morison方程计算原有波浪力，而后考虑因结构物所产生的绕射效应，乘以绕射系数，目前该计算方法被各国设计规范所应用。李玉成、滕斌9-10采用高阶边界元法对海洋结构所受的波浪力进行了数值模拟。由于造波环境难以模拟，目前针对桩基波浪力试验的研究还相对欠缺。本试验利用福州大学的造波水槽生成不同波高和不同周期的波浪环境，同时测量试验桩基模型的波浪力荷载数值，对试验所测数据进行处理和分析，探究了在波浪作用下不同尺度桩基所受的波浪力大小以及分布情况，分析了不同尺度群桩结构对桩基波浪力的影响。摘要通过推板造波的方法模拟波浪环境，探究了圆柱型桩基在不同波高和周期条件下的波浪力，分析了波高和周期对波浪力大小的影响，讨论了理论计算与实测波浪力之间的差别，探讨了群桩结构间距对桩基波浪力的影响。结果表明：大尺度桩基由于波浪的反射和绕射现象，实测波浪力比理论计算小29%；而小尺度桩基主要受水流流速的影响，实测波浪力比理论计算大20%。因此在海上结构基础设计时，波浪力应根据实际海洋环境，建议理论计算值相对乘以0.71.2的修正系数；试验中桩基所受的反向波浪力约为正向波浪力的80%，故反向波浪力的影响也不可忽视；大尺度群桩对波浪力影响显著，当海上结构以大尺度群桩结构作为结构基础时，波浪力更容易破坏群桩结构内部。关键词Morison方程绕射理论波浪力流固耦合造波水槽规则波浪作用下桩基础波浪力试验分析陈文兴余根祥林桂吴树涛王宏宇陈韶宇（国网福建省电力有限公司宁德供电公司，宁德352100）基 金 项 目：国 家 电 网 公 司 依 托 工 程 基 建 新 技 术 研 究 项 目（15139019001G）桥隧工程46福建交通科技2023年第1期1水槽试验设计福州大学的造波水槽长50 m，宽1 m。在造波水槽中放置桩基模型，试验相似比为110，模型由PVC水管制成，模型桩基桩径为20 cm，在模型桩身上预留孔道用于放置压力传感器，测量桩基在不同波浪环境作用下，大、小尺度桩基所受波浪力的大小变化。试验前，为获得稳定的连续波浪，将试件放置于距水槽后半部位置（距造波机30 m），如图12所示。图1实验桩基模型图2造波机工作流程图在造波水槽一端放置推板造波机，利用推板造波机推动水槽中的水产生波动，最终形成规则波浪，该推板的运动方程如下：u（t）=t2TX02cost（t2T）u（t）=X02cost（t2T）（1）式中T为周期，=2/T，X0为推波板的冲程，在波浪生成的初始阶段，为了能快速得到稳定的造波环境，当t2T时，对动边界的运动方程进行光滑处理。通过该简谐运动，最终得到数值水槽的波面方程以及速度势函数：（x,t）=2X0coshkdsinhkdkg（sinh2kd+2kd）cos（kx-t）（2）=2X0sinhkdcoshk（y+d）k（sinh2kd+2kd）cos（kx-t）（3）式中k为波数，k=2/L，d为水深，通过式（1）和式（2），确定X0的大小，在造波水槽中生成所需的规则波浪环境。对于大尺度桩基，所受到的波浪力主要集中于静水面位置。随着桩前水深增大，波浪影响的范围越小。因此将探测器放置于桩基上部的浪溅区、静水面、1/3水深以及2/3水深处。小尺度桩基的波浪力主要集中于桩基的下部区域，因此，将压力传感器放置于桩基的静水面、1/3水深、2/3水深以及桩基底部，如图3、4所示。图3传感器放置示意图图4传感器安装示意图为了探讨波浪对桩基模型各个方向的影响，分别取与波浪传播方向夹角为0、45、90、135和180位置，以测量桩基模型所受正向波浪力和反向波浪力。试验1：考虑周期和波高对大小尺度桩基波浪力的影响，共设计4组工况，每一组工况设置4组不同的波浪环境，如表14所示。表1周期因素对小尺度桩基波浪力的影响组次周期/s波高/cm水深/cm桩径/cm雍水高度/cm12.016.010020.010922.516.010020.010933.1616.010020.010943.516.010020.010947FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期表2周期因素对大尺度桩基波浪力的影响表3波高因素对小尺度桩基波浪力的影响表4波高因素对大尺度桩基波浪力的影响试验2：考虑双桩基串列及三桩基串列布置的情况，将各桩基按顺序编号，如图56所示，分析在不同尺度桩基下，不同桩距对波浪力的影响关系。共设计4组工况，如表5、6所示。图5串列双桩布置示意图图6串列三桩布置示意图表5小尺度串列双桩和三桩波浪力随桩间距变化表6大尺度串列双桩和三桩波浪力随桩间距变化2试验结果与分析2.1单桩波浪力试验分析根据试验方案中的各个工况生成不同波浪环境，测量桩基的实际波浪力，试验的试验结果见表78。表中H、T、h、F1、F2、F3分别代表波浪波高、波浪周期、桩前水深、正向波浪力、反向波浪力和理论计算波浪力。表7实测不同波高下大、小尺度桩基波浪力表8实测不同周期下大、小尺度桩基波浪力基于表78数据，根据桩基大小尺度、周期和波高进行分类，得到波浪力与周期和波高的关系曲线，并与JTS 145-2-2013海港水文规范中所规定的正向波浪力理论计算方法结果对比，如图710所示。组次周期/s波高/cm水深/cm桩径/cm雍水高度/cm10.685.050.020.050.220.705.050.020.050.230.755.050.020.050.240.805.050.020.050.2组次周期/s波高/cm水深/cm桩径/cm雍水高度/cm13.165.0100.020.010523.1610.0100.020.010933.1616.0100.020.011343.1620.0100.020.0118组次周期/s波高/cm水深/cm桩径/cm雍水高度/cm10.74.050.020.050.220.75.050.020.052.830.76.050.020.054.040.77.050.020.061.3L/D桩径/cm桩间距L/cm周期/s水深/cm波高/cm220400.750.05.02.520500.750.05.0320600.750.05.03.520700.750.05.0L/D桩径/cm桩间距L/cm周期/s水深/cm波高/cm220.0403.1610016.02.520.0503.1610016.0320.0603.1610016.03.520.0703.1610016.0H/cmT/sh/cmF1/NF2/NF3/N16.02.00100.063.7661.0949.2316.02.50100.069.2248.9543.5016.03.16100.067.0555.9848.5016.03.50100.064.0460.4545.205.00.6850.011.508.6014.865.00.7050.09.616.5314.605.00.7550.010.407.1313.985.00.8050.09.195.4713.30H/cmT/sh/cmF1/NF2/NF3/N5.03.16100.018.7717.0712.5210.03.16100.033.3126.1126.7116.03.16100.067.0555.9848.5020.03.16100.083.0976.8661.654.00.750.09.115.8011.695.00.750.09.616.5314.606.00.750.011.937.4017.547.00.750.013.488.7420.46桥隧工程48福建交通科技2023年第1期图7大尺度波浪力周期关系曲线图8小尺度波浪力周期关系曲线图9大尺度波浪力波高关系曲线图10小尺度波浪力波高关系曲线根据JTS 145-2-2013海港水文规范中规定计算作用于水底面高度Z处柱体全断面上与波向平行的正向力由速度分力和惯性分力组成11，可按式（4）计算：f=fd+fi=Cd2Duu+CmAut（4）其中，D为桩柱的直径，u和ut为水质点运动的水平速度和水平加速度，为水体密度，Cd为阻力系数，Cm为惯性力系数，A为圆柱截面面积。由上图可知实测波浪力与周期和波高的变化趋势与理论计算趋势一致。总体上，波浪力随着波浪的周期的增大而减小，而随着波高的增大而增大。以大尺度桩基为例，当波高增大1%时，波浪力增大0.7%，周期变小1%，波浪力增大2.5%，可见周期相对波浪力的影响更为显著。桩基所受反向波浪力大约为正向波浪力的80%，设计时，波浪荷载作为海上结构的控制荷载，反向波浪力不容忽视。在大尺度桩基试验中，由于在波浪传播的过程中，桩基的存在会破坏波浪运动状态，产生一系列的绕射和反射作用，波浪力会有一定程度的减小。而对于小尺度桩基来说，实际雍水高度大于理论计算所规定的高度，并且作用在桩基上的波浪力不是单纯的波浪力，还伴有水流的作用，导致实际波浪力大于理论计算结果。在设计海上结构时，应根据实际海况，对波浪力理论计算结果乘以0.71.2的修正系数。2.2群桩波浪力试验分析当今诸多海上结构选择以双桩或三桩的方式作为结构基础，各个桩基之间的桩距会对桩基波浪力产生影响。JTS 145-2-2013海港水文规范中规定，当桩径与波长之比小于4时，即D/L4，桩基的桩距会对波浪力的产生影响11。试验中双桩波浪力数据见表910，将各个桩基波浪力与单桩波浪力对比，通过波浪力影响系数分析桩距对波浪力的影响，表中1、1、2和2分别代表1#桩正向力影响力系数、1#桩反向波浪力影响力系数、2#桩正向力影响力系数和2#桩反向力影响系数。表9小尺度双桩波浪力影响系数表10大尺度双桩波浪力影响系数桩距1122401.051.030.991.08501.070.860.981.03600.940.950.921.04701.000.960.981.00桩距1122401.020.960.780.89501.031.140.841.16601.011.290.951.16701.031.020.950.9749FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期根据各个桩基在不同桩基间距条件下所受的波浪力，得到桩距和波浪力影响系数的关系曲线图，并与JTS 145-2-2013海港水文规范中规定波浪力影响系数比较，见图1114。图11小尺度双桩1#桩波浪力影响系数关系图12小尺度双桩2#桩波浪力影响系数关系图13大尺度双桩1#桩波浪力影响系数关系图14大尺度双桩2#桩波浪力影响