波浪荷载载各种工程中的确定

波浪荷载在各种工程中的确定1波浪荷载在各种工程中的确定在海洋工程中，无论是在石油钻井平台还是跨海工程，波浪荷载对结构的破坏都是不容忽视的因素。在海上大跨度桥梁的建设中，无论是施工过程还是整体设计，波浪荷载的研究都有重大工程意义，特别是对于诸如斜拉桥、悬索桥桥塔等大型墩式结构，更是如此。波浪力的计算需要两方面理论的支持：波浪运动理论及波浪荷载计算理论。前者研究波浪的运动，后者在已知波浪运动的前提下计算波浪对水中物体的作用。对于规则波，常采用的波浪运动理论有Airy理论、Stokes理论、椭圆余弦波以及孤立波理论。Airy理论以静水面代替波面，适用于振幅较小、水深较大的情况；Stokes理论可以考虑波高的2阶以及更高阶项，Airy理论可认为是Stokes的1阶形式；椭圆余弦波计算较为繁琐，工程运用仍较少；孤立波理论用于考虑孤立波，即水质点相对水体移动的非振动波。关于波浪荷载计算理论，不同的结构形式是不同的。而小直径桩的波浪荷载计算主要采用试验测量及经验分析的方法。其中，使用最广泛的是Morrison于1952年提出的莫里森公式，这一公式本身以及有关的试验测量理论和测量资料，都有了很大的进展，已被许多国家的设计规范所采纳。下面我将对波浪荷载理论及其在近海结构、跨海结构、钻井平台结构中的运用作简要叙述。1常用的波浪运动理论1.1微幅波理论微幅波理论是应用势函数来研究波浪运动的一种线性波浪理论。（1）水深无限时推进波的势函数：sin()2kzgHekxtH为波高，为波浪圆频率，2T，k为波数，2kL。在无限水深的推进波中波周期T与波长L0不是独立的，他们之间具有一定的关系：20000222gTLLgLgTcT0c为波速。（2）水深有限时推进波的势函数：()sin()2gHchkdzkxtchkd在有限水深的推进波中波周期T与波长L的关系为：2222gTLthkdLgLgTcthkdthkdT假定波浪在浅水中推进时，其波周期T保持不变，则：波浪荷载在各种工程中的确定200LcthkdLc它说明了在微幅波理论适用的范围内，波浪由深水向浅水推进时的波长与波速变化规律。1.2有限振幅波理论有限振幅波理论仍假定波浪运动为势运动，可以用速度势来描述波浪运动的状态。基本方程：222222220xxzz和为波浪运动的速度势和流函数。z坐标垂直于波得速方向，x坐标沿流速方向。由基本方程和边界条件可求出波速为：22414221121126[1()2shchchgckJoJkchsh除了上述两种最常用的理论之外，还有孤立波理论、椭圆余弦波理论等理论方法值得研究，详述请参考邱大洪编著的《波浪理论及其在工程上的应用》一书，书中2至4章有详细叙述。2波浪荷载的计算理论2.1直墙上的波浪力（1）直墙上的立波浪力二阶浅水立波的波压力公式：222()1()sin2[1(32)cos2]41(csc22cos2)2chzkdchzkdpzAActhkdcthkdchkdchkdAhkdcthkd令kd，得二阶深水立波的波压力公式：22211sincos2(1cos2)24zzpzAeAAe（2）直墙上的破波浪力1）远破波的波压力计算在静水面以上高度为H（推进波的波高）处得波压力为0，静水面处得波压力Ps为12spKKH其中——海水容重1K——与海底坡度i有关的系数2K——与坡坦有关的系数在静水面以上的波浪力的分布按直线变化。在静水面以下z=H/2处得波浪附加应力Ps为波浪荷载在各种工程中的确定30.7zspp在墙底处的波浪附加压力Pd为当d/H≤1.7时，0.6dspp当d/H1.7时，0.5dspp墙底面上的波浪浮托力Pu为2dubppu（b为墙底宽度，u为波浪浮托力分布图的折减系数，可取0.7）2）近破波的波压力计算静水面处得波压力Ps为：当2/3≥d11/3时，111.25(1.80.16)(10.13)sHHpHdd；当1/3≥d1≥1/4时，1111.25[(13.936.4)(0.67)1.03](10.13)sdHHpHddd。在墙底处的波浪附加压力Pd为0.6dspp在计算单位长度堤身上的近破波的总波浪力P时运用下面的公式：当2/3≥d11/3时，11.25(1.90.17)sHpHd；当1/3≥d1≥1/4时，1111.25[(14.838.8)(0.67)1.1]sdHpHddd。2.2墩柱上的波浪力（1）Morison法这个方法的基本假定是认为当墩柱尺度与波长相比较小时，墩柱的存在并不影响波动场，故作用在墩柱上的波浪力，除了与墩柱尺度相关外，取决于未被墩柱扰动的波动场内的墩柱轴线处得水质点运动速度和加速度，计算规则波对小直径桩柱及柱群的作用力时，通常采用Morison提出的波浪力方程。Morison方程是一种带有经验性质的半理论公式，它包含两项，即惯性力和速度力，惯性力项的形式与无粘性流体的波动理论的解相同，而速度力项的形式则与稳定流中的物体上产生的阻力相仿，这个方程的运用，要求墩柱直径D与波长L之比较小，在一般情况下，当D/L小于等于0.15时才较适用。（2）MacCamy和Fuchs的绕射理论该理论假定流体是无粘性的，运动时有势的，并利用了线性化得自由水面边界条件，故只在波动幅度响度较小的情况下才能适用，当然当D/L大于0.25时，非线性对波浪力的影响一般小于5%，这样的差别通常在工程设计中是可以允许的。对于无粘性假设，实验表明，当波高H与墩柱直径之比H/D小于等于1.0时，由于流体粘性所引起的阻力对波浪力的影响一般不超过5%。因此可以认为，线性化的绕射理论的适用范围是H/D小于等于1.0。综上，两种方法的适用范围概括如下：1）当H/D1.0且H/D0.15时，两方法都不适用；2）当H/D1.0且H/D0.15时，运用Morison方程，而且只记其中的惯性力项；3）当H/D1.0且H/D0.15时，可采用不考虑流体粘性效应的波浪绕射理论；波浪荷载在各种工程中的确定44）当H/D1.0且H/D0.15时，采用Morison方程。各种墩柱形式下的波浪力计算详见《波浪理论及其在工程上的应用》书中的第八章。3具体实例3.1东海大桥70+m跨低墩基础波浪力（1）计算基础波浪力东海大桥非通航孔桥主要采用60m、70m跨度，基础数量庞大。跨海大桥桥墩基础除承受上部结构传来的荷载以外，还承受巨大的海洋波浪荷载。在下部结构设计中，波浪产生的水平力为主要设计荷载。在设计中有必要对作用于基础的波浪荷载做深入细致的研究。对于跨海大桥桥墩基础，波浪荷载主要为作用于墩身、承台和桩的水平力；其次还有向上的垂直力，即浮托力。平均低水位：-1.34m；平均高水位：1.86m；平均水位：0.23m；设计低水位：2.48m；重现期(50年一遇水位：3.60m；重现期100年一遇水位：3.70m。此设计采用重现期(50年一遇水位，校核采用重现期100年一遇水位。东海大桥桥址区沿波浪方向的设计波浪要素见下表。桥址区主要浪向设计波浪要素波向重现期/年H1%H4%H13%波浪周期T/s波长L/m波速C/m.s-1NNE(NE)1006.625.574.818.2384.610.3505.565.74.777.7677.910.04206.225.44.57.168.79.67NNE(E)1003.462.952.48.6691.810.6504.482.902.358.082.310.29203.452.932.397.169.49.78SE(ESE、SSE)1004.413.783.16.5761.59.37504.483.833.156.2656.99.09204.053.462.835.8150.38.65桩基设计波高按累积频率1%波高计。波浪力按Morison半经验公式计算，本桥墩基础各构件尺度较小，按孤立建筑物计算其波浪力，当迎波面宽度与波长比D/L0.2时，采用流体的绕流理论计算；当D/L0.2时，考虑流体不连续而采用流体的绕射理论计算，计算中认为构件全宽上流体压力梯度不变。波浪产生的与波浪平行的正向力俗称波浪力，其由速度分力和惯性分力组成，其计算公式如下：速度分力212DDrDHPCK力矩2max32DDrDHLMCK惯性分力2122MrAHPCK力矩2Im44axMrAHLMCK波浪荷载在各种工程中的确定5其中，CD为速度力系数；CM为惯性力系数；r为水容重；H为计算波高；D为构件迎波面宽度；A为构件的截面积；L为波长。作用于构件的正向水平总波浪力P为PD和P1的合力，在D/L0.2时按下式计算：合力maxImcoscossinDaxPPttPt合力矩22maxmaxImm(10.25/)DaxDaxMMMM在D/L0.2时，圆形柱体主要受惯性力的作用，最大水平总波浪力为：合力maxImaxPP合力矩maxmaxIMM（2）计算水流力2/(2)PkrAVg其中k为物体形状系数；r为水容重；A为构件的截面积；V为水流速度；g为常数9.8。跨海大桥工程基础设计必须考虑波浪荷载的作用，桥墩波浪物理模型试验表明，《海港水文规范》中波浪力计算方法对桥墩基础的小尺度圆形承台而言，基本上反映了作用于结构上波浪力的实际情况，但对单桩来说，计算值偏小，所以在桥梁基础设计中，单桩波浪力和群桩系数需认真考虑。3.2半潜式平台波浪载荷计算3.2.1半潜式平台波浪载荷计算(1)计算条件平台主尺度和工作环境是浮体长度90.0m；浮体宽度14.0m；浮体高度6.0m；两浮体间距50.00m；立柱直径9.0m；立柱中心纵向间距31.0m；立柱中心横向间距50.00m；上部平台长度72.0m；上部平台宽度63.7m；上部平台高度5.2m；主甲板高(距基线)30.0m;上甲板高(距基线)35.2m；最大工作水深200m；最大风速51.6m/s；最大波高18m；潮流流速3.00kN；拖航排水量16080t；拖航吃水6m。（2）计算模型平台结构模型的总坐标系原点位于2个浮体底部的对称中心,X轴沿着平台纵向指向首部,Y轴从右舷指向左舷,Z轴则以垂直向上为正。海洋平台总体结构十分复杂,若完全按照其实际情况进行分析是无法实现的,当然也没有必要,因此需建立简化力学模型。该模型应尽量保持原有结构的基本特性,同时考虑到建模的可行性又不能过于复杂,一般情况下简化程度的大小主要取决于原结构的复杂程度和所要分析的精度以及所拥有的计算手段。该平台基本结构由4个部分组成,即平台主体(甲板结构)、浮体、立柱和支撑。考虑到作用在平台上的波浪力,可对平台的细节结构进行简化。在对平台主体建模时,将其简化为箱形板结构,其他主体细节构件及有关肋骨可简化为相当厚度的板处理,相当厚度是平台板厚度与其上骨材面积在其宽度上的假想厚度相加所得。为了计算方便,将浮体的浮箱结构进行当量计算,并转化为PIPE59管单元。计算模型还考虑了锚泊系统的作用,采用均布式的八点锚泊系统,锚泊线采用ANSYS的二次开发程序APDL来对锚链有限元模型进行建模。（3）结论将计算实例中波浪力计算结果进行分析。钻井平台长宽尺寸差不多。最危险状态不是横浪和纵浪，而是某个方向上的斜浪。当波浪入射角为60b时，作用在平台上的波浪力最大，所需要的恢复力矩也最大。在波浪运动周期不变的情况下，平台所受的波浪力随波高的增加而增大，平台恢复力矩也随之增大；在波高相同的情况下，随着波浪周期的增大，平台所受到的波浪力减小，所需的恢复力矩也随之减小。波浪荷载在各种工程中的确定63.2.2南海2号半潜式钻井平台波浪载荷计算（1）简介首先，建立该平台的整体结构模型。将平台等效简化为一个空间刚架结构。甲板，下体，支柱，撑杆等平台的主要结构均简化成为空间梁单元。在结构模型的基础上，将平台的结