跨海桥梁承台-群桩基础波浪力计算方法研究

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本文针对目前跨海大桥常用的承台-群桩基础,综合采用理论推导、模型试验与数值试验的方法对承台和群桩所受波浪力以及对应的计算方法进行了研究。首先对承台-群桩结构在非线性浅水波浪作用下受到的波浪力开展了缩尺模型试验研究。试验研究表明,由于未考虑承台对波浪场的扰动以及承台后侧液面的影响,现有的Mc Pherson经验公式计算值相较模型试验结果误差较大。本文采用二阶孤立波与椭圆余弦波波浪理论和Morison方程计算了群桩上的波浪力,与模型试验得到的承台下群桩上波浪力吻合较好。然后对承台在孤立波作用下的波浪力计算方法展开了研究。分析了方形承台在孤立波作用下的受力机理,结果表明承台前侧壁面上流体竖向加速度造成的动水压力减小对承台上水平波浪力影响较大,只考虑静水压力得到的承台上水平波浪力相较于数值模拟结果显著偏大。在此基础上确定了承台前、后侧液面高度以及承台前侧液面竖向加速度三个主要影响参数,提出了承台在孤立波作用下水平波浪力的计算方法。通过对模型试验以及数值试验结果的分析,确定了同一浅水波浪工况(孤立波和椭圆余弦波)下圆形承台与同尺度的方形承台所受波浪力的比例关系。接下来对承台在周期波作用下的波浪力计算方法展开了研究。针对跨海桥梁基础的承台尺度大、位于近水面位置时波浪非线性效应强等特点,通过对近水面承台上波浪力受到非线性自由液面影响的分析,提出了更适用于淹没深度与入射波浪波幅较接近的情况下的水平波浪力修正计算方法。与模型试验结果的对比表明本文给出的修正计算方法对波流共同作用下的承台上水平波浪力的计算也能获得较满意的结果。最后对承台影响下群桩受到的波浪力计算方法展开了研究。以承台下各桩所受波浪力与独立单桩上波浪力的比值定义了承台效应系数,采用数值试验的方法系统地分析了波长、波高、桩位、承台尺度、淹没深度等参数对承台效应系数的影响,确定了无量纲参数/为影响承台下各桩承台效应系数的关键参数。采用近水面方箱受波浪作用的二维势流理论解和Morison方程的组合给出了受承台影响的桩上波浪力的理论计算方法,并采用数值试验数据进行了验证。
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