【摘 要】
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群桩结构是港口工程、海洋工程及桥梁工程的常用结构,为了应对水深较大的工程情况,往往会使群桩结构的桩腿增长,使结构变为大柔度结构。深水之中的群桩结构长期处于海水之中,所受到风、浪、流等作用都是典型的流固耦合问题。对于大柔度水工建筑物,由其自身柔度所带来的动力学效应对结构的应力及形变都有着不可忽视的作用,因此对于深水桩基结构需要考虑流固耦合以及动力效应的影响。本文主要研究波浪作用下的群桩结构单向及双向
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群桩结构是港口工程、海洋工程及桥梁工程的常用结构,为了应对水深较大的工程情况,往往会使群桩结构的桩腿增长,使结构变为大柔度结构。深水之中的群桩结构长期处于海水之中,所受到风、浪、流等作用都是典型的流固耦合问题。对于大柔度水工建筑物,由其自身柔度所带来的动力学效应对结构的应力及形变都有着不可忽视的作用,因此对于深水桩基结构需要考虑流固耦合以及动力效应的影响。本文主要研究波浪作用下的群桩结构单向及双向流固耦合的差异性问题。本文介绍了波浪理论与流固耦合基本理论,并以理论为基础,建立三维数值水池,实现了对线性波与三阶斯托克斯波的模拟,随后建立大柔度群桩结构有限元模型,对群桩结构与三阶斯托克斯波的作用进行了单向与双向流固耦合分析。本文的主要研究成果如下:(1)采用速度入口造波法,使用RNG k-ε湍流模型、速度压力耦合的PISO算法、VOF法追踪流体自由表面,采用自编UDF定义速度入口,完成了线性波与三阶斯托克斯波的模拟,并设置测点对液面高度进行检测后与理论值对比。(2)以线性波为基础,在数值水池中模拟一立柱,监测立柱在波浪作用时的X轴正向波浪力数据,将数值模拟值与莫里森方程计算值结果进行对比,以此来验证本文所用方法的科学性与有效性。(3)建立大柔度群桩结构三维有限元模型并对其进行在重力作用下的模态分析,分析其主要振型,求出关键振型所对应的自振周期,与所采用的波浪周期差异较大,避免了后续双向流固耦合模拟过程中出现的由共振所引发的发散现象,选取动力分析合理的时间步长。(4)进行了群桩结构与三阶斯托克斯波的单向与双向流固耦合数值模拟,以结构最大应力与X轴正方向桩顶位移为主要指标进行了对比分析,得出了由于群桩结构柔度较大,双向流固耦合的对结构的动力性分析结果较单向流固耦合的静力分析要大出许多,实际工程中如果对于大柔度结构物的设计施工只按照静力学分析计算容易出现安全隐患的结论。(5)对双向流固耦合动力分析所得的加速度、速度、运动轨迹等运动结果进行分析,结果显示,由于大柔度群桩结构动力效应明显,其在受到波浪作用时桩顶的速度、加速度都较为明显,工程中不可忽视。
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