波浪荷載

波浪荷載是由波浪水質(zhì)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的。波浪是一隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)，很難在數(shù)學(xué)上精確描述。當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件（部件）的直徑小于波長(zhǎng)的20%時(shí)，波浪荷載的計(jì)算通常用半經(jīng)驗(yàn)半理論的美國(guó)莫里森方程；大于波長(zhǎng)的20%時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)對(duì)入射波場(chǎng)的影響,考慮入射波的繞射,計(jì)算時(shí)用繞射理論求解。影響波浪荷載大小的因素很多，如波高、波浪周期、水深、結(jié)構(gòu)尺寸和形狀、群樁的相互干擾和遮蔽作用以及海生物附著等。

波浪荷載常用特征波法和譜分析法確定。對(duì)一些特殊形狀或特別重要的海洋工程結(jié)構(gòu)，除了用上述的方法進(jìn)行計(jì)算分析外，還應(yīng)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，以確定波浪力。

波浪荷載特征波法

選用某一特征波作為單一的規(guī)則波，并以它的參數(shù)（有效波高、波浪周期、水深）和結(jié)構(gòu)的有關(guān)尺寸代入莫里森方程或繞射理論的公式，求出作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力。此法簡(jiǎn)便易行，在海洋工程設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用。

波浪荷載譜分析法

利用海浪譜進(jìn)行波浪荷載計(jì)算、結(jié)構(gòu)疲勞和動(dòng)力響應(yīng)分析的一種方法。把波浪作為隨機(jī)性的、由許多不同波高和波周期的規(guī)則波線性迭加而成的不規(guī)則波，用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法收集、分析處理波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)，由于它能較精確地反映波浪的能量分布規(guī)律，所以是一種比較理想的方法。海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的有P-M和聯(lián)合(JONSWAP)譜。

譜分析法中,波力譜(輸出譜)Sff(ω)和海浪譜Sηη(ω)（輸入譜）呈下述關(guān)系

Sff(ω)=喣Tff(ω)喣2Sηη(ω)

式中Tff(ω)為頻率響應(yīng)函數(shù);ω為波浪頻率。波力譜確定后，可求出波浪力分布函數(shù)中的統(tǒng)計(jì)特征值，進(jìn)而得到某一累積概率的波浪力。2100433B

海洋工程結(jié)構(gòu)在海洋風(fēng)浪流環(huán)境下地受載，總稱為波浪載荷。

波浪載荷包括：

直接作用于海洋工程結(jié)構(gòu)上的水動(dòng)壓力；

海洋工程結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪流中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生加速度導(dǎo)致的慣性力；

海洋工程結(jié)構(gòu)發(fā)生總體和局部的動(dòng)態(tài)應(yīng)力（應(yīng)變），從而使結(jié)構(gòu)受剖內(nèi)部構(gòu)成所謂在和效應(yīng)的彎矩（剪力）和扭矩。

波浪荷載動(dòng)態(tài)載荷

由于海洋環(huán)境的風(fēng)浪是動(dòng)態(tài)的，是隨時(shí)隨地變化著的，海洋工程結(jié)構(gòu)的受載也是隨著風(fēng)浪流的變動(dòng)而變化的。

海洋工程結(jié)構(gòu)遭遇風(fēng)浪的不同嚴(yán)重程度，可以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)波浪載荷和瞬態(tài)波浪載荷兩類。

波浪荷載海洋工程結(jié)構(gòu)總體受載與局部受載的組合

海洋工程結(jié)構(gòu)有局部組成總體，海洋工程結(jié)構(gòu)在海浪中既遭受局部的波浪水動(dòng)力載荷，又同時(shí)受著總體的載荷效應(yīng)——彎矩和扭矩等。這句不和總體受載是同時(shí)存在的，且是動(dòng)態(tài)疊加的。

本項(xiàng)目針對(duì)跨海近海岸橋梁在極端波浪荷載作用下災(zāi)變毀壞問題，采用數(shù)值仿真和寬水槽模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開展近海岸橋梁在極端波浪荷載下毀壞形式和機(jī)理研究。研究中首先引入兩相流的概念，建立了基于大渦模擬（LES）和流體體積法（VOF）的三維波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)學(xué)模型,重點(diǎn)將建立高精度自由水面追蹤方法與虛擬邊界力方法用于準(zhǔn)確模擬強(qiáng)非線性破碎波與復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)物的相互作用。通過三維波浪與梁體的相互作用的數(shù)值仿真獲得梁體所受的瞬時(shí)波浪力，結(jié)合寬水槽模型試驗(yàn)結(jié)果確定最不利的波浪荷載組合，分析橋梁在波浪荷載作用下的受力特點(diǎn)、最大波浪力隨淹沒深度變化趨勢(shì)及橋梁周圍流場(chǎng)動(dòng)力特性。通過模擬在極端波浪荷載作用下近海岸橋梁結(jié)構(gòu)失效模式研究橋梁的破壞形式和在海岸災(zāi)害中毀壞機(jī)理。為近海岸橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

近海岸橋梁面臨海岸帶環(huán)境中復(fù)雜的動(dòng)力作用，這些動(dòng)力作用一般包括風(fēng)、波浪、潮汐和洋流等。風(fēng)暴潮與波浪的聯(lián)合作用往往使得跨海橋梁周圍水位升高，波浪越頂，潮流紊亂，產(chǎn)生沖刷等，這些自然條件給橋梁的安全性帶來(lái)巨大的隱患。我國(guó)跨海橋梁的興建方興未艾，近海岸橋梁的設(shè)計(jì)與建造必須考慮到海岸帶可能發(fā)生的最惡劣情況，否則將會(huì)造成嚴(yán)重的災(zāi)難性事故。因此開展近海岸橋梁在極端波浪荷載作用下毀壞形式和機(jī)理的研究已成為急需解決的關(guān)鍵課題。 該項(xiàng)目采用數(shù)值仿真和水槽模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開展近海岸橋梁在極端波浪荷載下毀壞形式和機(jī)理的研究。研究中首先引入兩相流的概念，建立了基于大渦模擬（LES）和流體體積法（VOF）的三維波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)學(xué)模型,重點(diǎn)將建立高精度自由水面追蹤方法與虛擬邊界力方法用于準(zhǔn)確模擬強(qiáng)非線性破碎波與復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)物的相互作用。通過三維波浪與梁體的相互作用的數(shù)值仿真獲得梁體所受的瞬時(shí)波浪力，結(jié)合水槽模型試驗(yàn)結(jié)果確定最不利的波浪荷載組合。分析橋梁在波浪荷載作用下的受力特點(diǎn)、最大波浪力隨淹沒深度變化趨勢(shì)及梁體周圍流場(chǎng)動(dòng)力特性。在此基礎(chǔ)上，通過模擬在極端波浪荷載作用下近海岸橋梁結(jié)構(gòu)失效模式研究橋梁的破壞形式和在海岸災(zāi)害中毀壞機(jī)理。通過該項(xiàng)目的研究取得如下成果： （1）建立基于大渦模擬和VOF方法的三維波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的數(shù)學(xué)模型。在結(jié)構(gòu)物邊界處理研究中,結(jié)合虛擬邊界力方法,提出二步邊界定位法,實(shí)現(xiàn)流體與復(fù)雜結(jié)構(gòu)物邊界的精確模擬，并進(jìn)一步針對(duì)三維波浪與復(fù)雜構(gòu)形橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行計(jì)算程序的開發(fā)和應(yīng)用研究,分析在三維波浪作用下,橋梁梁體所受的波浪力特點(diǎn)和梁體周圍流場(chǎng)分布特性，為近海岸橋梁的抗波浪力和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。 （2）進(jìn)行一系列的水槽模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)將橋梁高程、淹沒深度、波高、規(guī)則波和不規(guī)則波作為變量進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，確定最不利的波浪荷載組合，分析橋梁在波浪荷載作用下的受力特點(diǎn)、最大波浪力隨淹沒深度變化趨勢(shì)，研究極端波浪荷載作用下近岸橋梁結(jié)構(gòu)失效模式和毀壞機(jī)理。 （3）通過三維波浪與橋梁相互作用仿真研究獲得瞬時(shí)的梁體所受波浪荷載，結(jié)合水槽模型試驗(yàn)，深入開展近海岸橋梁在極端波浪荷載下毀壞形式和機(jī)理的研究，為近海岸橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。這對(duì)進(jìn)一步提高近海岸橋梁設(shè)計(jì)精細(xì)化研究，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性和可靠性具有重要意義。 2100433B

利用海浪譜進(jìn)行波浪荷載計(jì)算結(jié)構(gòu)疲勞和動(dòng)力響應(yīng)分析的一種方法。把波浪作為隨機(jī)性的、由許多不同波高和波周期的規(guī)則波線性迭加而成的不規(guī)則波，用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法收集、分析處理波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)，由于它能較精確地反映波浪的能量分布規(guī)律，所以是一種比較理想的方法。海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的有P-M和聯(lián)合(JONSWAP)譜。

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