波浪和地震作用下深水圆柱结构的动水力研究

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随着时代的发展,科技的进步,桥梁工程向着大跨、深水的方向发展,尤其是海上建筑物,一般都会在深水中建立水下结构来支撑上部结构,那么研究水下结构受到流体作用十分重要。目前我国还没有成熟的规范来指导和解决海上结构的设计和施工。由于海洋环境的复杂性、荷载的多样性,研究起来相对较难,因此在研究过程中,做了相应的简化形式,首先对水下结构物所受荷载进行了简化,只考虑波浪力和动水力的作用。而在波浪力的简化上采用了确定性荷载波浪力,即只考虑波浪是线性的,满足速度势理论。而对于动水力的简化是忽略了水体的可压缩性只考虑表面重力波。将水体考虑成无旋、无黏性、不可压缩的流体。简化边界条件,将底部简化为刚性地基。利用辐射波浪理论和绕射波浪理论对问题进行求解。通过波浪力解析解分析了水平波浪力以及水平波浪力矩的变化规律。通过求得考虑表面波的动水力和忽略表面波的动水力解析解对动水力进行了分析。主要成果如下:  1、基于辐射波浪理论和绕射波浪理论,推导了圆柱结构所受波浪力的解析解,求出水平波浪力和水平波浪力矩,分析了水波浪力以及水平波浪力幅值变化规律,水平波浪力幅值和水平波浪力矩幅值都是随着波数的增大而先增大,到一个峰值后减小,有且只有一个峰值出现;圆柱半径、水深和波浪波长成比例变化时,波浪力变化较小;半径一定时,水深越深,波浪力峰值越大,达到峰值的波浪波长越大。水深一定时,半径越小,波浪力峰值越大,达到峰值的波长越小。  2、基于辐射波浪理论,推导了忽略水体的可压缩性圆柱结构所受动水压力解析解,分别考虑了表面重力波和忽略表面重力波的情况,考虑表面重力波水体动水压力解析解的动力刚度系数与频率相关;忽略表面波水体动水压力解析解的动力刚度系数是与频率无关的常数,可用附加质量方法考虑动水压力的作用。  3、基于考虑表面波和忽略表面波动水压力解析解,研究了表面重力波对圆柱结构动水压力的影响,讨论了动水压力动力放大系数沿柱高变化和总动水压力放大系数在不同尺寸和激励频率下的变化规律。研究表明:表面重力波的影响在柱体上表面的影响较大,在柱体底部的变化较小;随着结构截面尺寸的增大,考虑表面重力波水体对地震作用下结构所受动水压力的影响越显著;考虑表面重力波时动水力放大系数在低频(1Hz以下)时影响显著,对于长周期柔性桥梁来说需要讨论表面重力波的重要性。  4、举例研究了深水圆柱结构在考虑表面重力波和忽略表面重力波所受到动水压力的时域情况,在时域下,地震加速度峰值区间内,忽略表面重力波(附加质量)所得到动水力大于考虑表面重力波的动水力;而在非峰值区间,考虑表面重力波动水力大于附加质量的动水力。  5、比较了一般情况下波浪力和动水力大小,在最不利波浪荷载作用下,需要同时考虑波浪和地震作用。  
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