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在海岸和近海工程中,近海采油平台、桩基码头和海上栈桥等上部结构位于浪溅区的建筑物的安全与波浪冲击作用关系极大。若这些海上建筑物的上部结构底高程较低,在恶劣海况下当大波浪在其面板下面通过并与之接触时,面板下面除了作用有强度变化较缓慢的波压力外,在波峰刚接触到面板时尚存在着历时很短但强度极大的冲击压力,这种极强冲击荷载会引起建筑物的整个上部结构失稳或造成局部破坏。另外当波浪离开上部结构底面时产生的负压力作用对混凝土结构的耐久性也是一个很大的威胁。近二十年来冲击荷载的预报在海岸和近海工程设计中越来越受到重视,已形成一个新兴课题。本文应用物理模型试验和计算机数值模拟相结合的手段,对不同接岸型式码头面板底部受到的随机波浪冲击作用进行了研究。 本文的物理模型试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的大波流水槽中进行,试验中选用的随机波靶谱为改进的JONSWAP谱,入射波波高H1/3范围为0.1m~0.25m,谱峰周期TP范围为1.0s~2.0s,码头面板的相对净空(码头面板底面距离静水面的距离s与入射波波高H1/3的比值)范围为-0.1~0.7,其中s/H1/3为负值时表示码头面板底面位于静水面以下。试验中设计了开敞式、人工块体护面可渗斜坡边界和水泥板护面不可渗斜坡边界三种不同接岸型式的码头模型。 通过对不同波浪参数、结构物尺度、结构物与静水面的距离等情形的试验结果的比较分析,研究随机波浪对不同接岸型式码头面板的冲击压力特性,分析波浪冲击压力沿码头面板底面的分布规律,讨论入射波要素、结构物尺度、结构物相对净空等要素对码头面板底面所受的冲击压力的影响规律,给出便于工程应用的计算波浪冲击压力的经验公式。比较码头面板所受的随机波浪冲击作用和规则波冲击作用的异同点。讨论不同接岸型式对码头面板底面冲击压力的特性、分布规律以及冲击压力峰值大小的影响。 本文的数值模型为作者改进的VOF方法。为能反映出波浪冲击过程的湍流特征,以湍流运动方程——雷诺方程,及修正的κ—ε模型封闭雷诺方程为控制方程。采用三阶迎风差分格式离散控制方程中的对流项,克服了原VOF方法中对流项的差分格式精度低于二阶存在数值粘性,在一定程度上掩盖了实际物理粘性影响的缺陷。建立了适合VOF方法的水体与结构物接触与分离的数值边界条件,较好地反应出水体与结构物分离时存在自由波面而水体与结构物接触时自由面消失的特点。提出了适合VOF方法的随机波数值造波机速度边界条件。文中对不同情形的波浪冲击问题进行了数值计算,并用物理模型试验结果对数值模型进行了验证,在建立波浪冲击问题的数值模型方面取得了重要的进展。