近海重力式建筑物地基设计与计算的若干问题

鉴于波浪激起重力式建筑物的振动为海底地基上的主要荷载之一,同时为能合理地设计,文中介绍了笔者研究过的统一等效谐振荷载以及海底地基的变形、稳定性与液化势等特性.基于这些研究,提出了近海重力式建筑物地基设计与计算的若干考虑.     

孤立墩柱在波浪作用下的动力反应

随着海洋工程事业的迅速发展,海上建筑物有不少采用孤立墩柱的型式或是由孤立墩柱组成的.关于作用在孤立墩柱上的波浪力,在我国交通部制定的《海港水文规范》中已作出规定,这方面也有不少文献和研究成果.但是,设计海上孤立墩柱建筑物,只按静力计算往往是不够的,在不少情况下,必须考虑动力反应问题.自1961年美国得萨克四号塔发生重大破坏事故以后,海洋工程界对海上建筑物的动力设计问题非常重视.作用在海上建筑物的荷载,除波浪力外,尚有风、水流等,为使问题简化,本文仅考虑波浪荷载,并视结构为单自由度第一振型的振动.     

可渗可压缩海床上墩柱底面波浪渗流压力的计算

本文给出了安置在海床上大尺度墩桩底面波浪渗流压力的计算方法和一些数值结果。考虑了墩柱直接放置在海床上和放置在埋入海床中抛石基床上两种情况。计算中对内场采用有限元方法,对外场给出了两种处理方法:一是给出了渗流压力外场解;二是建立了一个无限元模式。分析中考虑了海床土壤变形和孔隙水压缩性,讨论了海床土壤变形和孔隙水压缩性以及抛石基床对墩柱底面波浪渗流压力的影响。圆墩柱情况的计算结果与其它文献的解析结果和实验结果吻合良好。     

分析海洋重力式建筑物地基位移反应的拟静力方法

随机波浪荷载下海洋重力式建筑物的位移反应,是工程设计中考虑的一个重要因素,基于对我国某海砂所进行的循环三轴试验成果的分析和研究,文中通过建立起一个考虑了不同初始固结应力状态及不同振次效应的土的综合归一化数学模型,提出了一个分析计算重力式海洋建筑物地基位移反应的拟静力方法.与一般的动力分析方法相比较,这一方法具有简捷方便之特点,文中最后还通过一重力式海洋平台地基位移反应分析的具体算例,表明了文中建议方法的实用性.     

浅水区波浪非线性效应对砂质海床动力响应的影响

以广义Biot动力固结理论为基础,运用一阶椭圆余弦波和二阶Stokes波等非线性波浪理论考虑浅水区波浪荷载的非线性效应,在时域上采用有限元方法对非线性波浪力作用下饱和砂质海床的动力响应进行了数值求解,并与线性波浪作用下海床动力响应特性进行了对比分析。结果表明,随着波长与水深之比L／d及无量纲参数T(g/d)^1/2的增大,非线性波浪对海床动力响应的影响增大。与线性波浪理论相比,孔隙水压力与有效应力幅值的增大效应非常显著。因此在近海海洋建筑物设计与工程场地评价中,波浪力的非线性特性必须引起注意。     

波浪力数值分析中的一种新的无限单元法

本文研究了波浪力数值分析中的有限元-无限元方法(Finito-iuifinite Elomont Me-thod)。提出了一种新的无限单元。这种单元的形函数中,含育第一类零阶汉克尔函数,比以往采用的 e~(-r/L)e~(tkr)型无限单元更符合物理意义且计算简便。本文对水深为常数的可化为 x-y 平面的二维波浪力问题,推导了这种 H_0~((1))(kr)型无限单元的计算公式。应用本文推荐的有限元一无限元方法,设计了计算任意截面形状柱体所受波浪力的计算机程序。数值算例表明,本文的结果与理论解或其它数值方法给出的结果吻合很好。     

流对波场影响的计算

一、引言海洋工程建筑物,受到各种海洋环境外力的作用,其中海浪的作用是最重要的。许多海洋工程是建立在近岸和河口地带,因此,潮流的涨落对海上建筑物的作用,也是不可忽略的。流和波浪相互作用时,可以改变波场。当波浪与流的作用反向时(以下简称反向流),波高增加,波长减小;当波浪与流的作用同向时(以下简称同向流),结果正相反。因此,反向     

非线性波浪时域计算的三维耦合模型

将计算区域Ω划分为内域Ω₁和外域Ω₂(Ω₂=Ω-Ω₁),外域控制方程采用改进线性频散特性的二维Boussinesq方程,用预报一校正法数值求解;结构物附近的内域控制方程为三维Navier-Stokes方程,由VOF方法数值求解。通过在外域和内域相匹配的交界面上设置合适的速度和波面边界条件,建立了三维非线性波浪时域计算的耦合模型。模拟试验表明:(1)耦合模型数值波浪水池可以产生稳定的、重复性较好的波动过程;(2)用耦合模型数值波浪水池求解较大浅水区域上的非线性波浪数值计算问题可以取得较高的计算效率,同时又能得出结构物附近的复杂流场。     

非线性波浪绕射问题的有限元-无限元解法

本文基于作者在文献中给出的二阶绕射问题的无穷远场条件及无穷远场解,构造了一个适用于二阶绕射问题的无限元。无限元中沿径向(r方向)的插值与二阶绕射问题的远场高阶渐近解的r方向变化规律相同。本文利用内域有限元与外域无限元协调匹配的方法,在二阶逼近的意义下求解了非线性圆柱体绕射问题,给出了波力与波浪爬高的解。本文求出的由二阶势在物面上积分所表达的二阶力部分与Taylor与Hung用一阶势及一个假想的辐射势在自由表面上积分所表达的对应的二阶力部分完全吻合。本文给出的波力与波浪爬高计算结果分别与Chakrabati的波力实验及Isaacson的波浪爬高实验进行了比较,结果吻合得相当好。     

灌河口沿岸流场的数值模拟

苏北灌河的入海口门处有沙咀,其岸形和底形都比较复杂。本文对潮流、波浪流和灌河径流综合作用下的口外沿岸流场进行了数值模拟。用一、二维联合法求解。口外水域用有限元模式求解,口内河道用一维显式差分求解。用现场资料和公式推算分别对计算的潮流场和波浪沿岸流进行了验证,结果令人满意。     

水位波动对临海重力式挡墙基坑稳定性的影响

近年来临海(江)建设的地下工程逐渐增多,与常规静水补给条件下的基坑工程相比,受波浪、潮汐等动水作用影响的基坑可能展现出不同的性状,对该类水力条件下基坑响应问题的研究具有重要的工程意义。依托港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道海域段基坑工程,采用PLAXIS软件对波浪、潮汐作用下重力式挡墙两侧的水土压力、基坑的稳定性进行了探讨分析。结果表明,对于均质砂质地基上的重力式挡墙,当基坑距防波堤一定距离时,波浪对其稳定性的影响可以忽略不计;潮汐在海床和基坑中的传播有滞后效应,当潮汐为最高潮位时,基坑并非处于最危险状态;潮汐作用下临海重力式挡墙基坑的稳定性可以通过拟静水位法近似分析。     

环境激励下海上风电结构模态参数识别

针对海上风电结构,研究了环境激励下海上风电结构的模态参数识别问题。采用了一种时域联合算法:自然激励法(Natural Excitation Technique,简称NExT)和多参考点复指数法(Polyreference Complex Exponential,简称PRCE)的结合(简称NExT/PRCE方法)对海上风电结构的模态参数进行识别。对某三脚架式海上风电结构进行数值模拟,考虑了风电结构的实际操作工况,对结构施加了随机波浪荷载和风机载荷。利用动力响应数据进行了环境激励下风电整体结构模态参数识别,采用了稳定图与模态置信准则进行了虚假模态的剔除,并分析了NExT中参考通道选取对于模态参数识别效果的影响。通过与有限元模型模态参数比较,验证了NExT/PRCE方法对于风电结构参数识别的有效性。     

直立堤前波浪和波压力概率特征

随着海上石油、矿物资源的开发和航运事业的发展,要求在海上建立更多的水工建筑物和码头。目前,直墙式水工建筑物仍是工程建设中广为采用的结构型式,为选取其最优结构,必须知道该建筑物前波浪及作用力的概率特征,这关系到工程设计中对直墙式水工建筑物的稳定度和强度的计算。因此,研究自然条件下直立堤前的波浪、波压力概率特征,对建立一种考虑海浪的不规则性来计算作用于直立堤上波压力的工程计算方法是具有重要意义的。自六十年代末,国外就开始观测和研究海浪对直立堤的作用。近年来,我们在     

浅水浮式风机基础水动力特性及波浪荷载的CFD数值分析

采用计算流体动力学(CFD)方法对OC4-DeepCwind半潜式风机基础在30～100 m水深下的水动力特性和非线性波浪荷载进行了研究。基于验证的数值波浪水池,通过结构自由衰减运动及规则波下浮式基础的幅值响应算子(RAO)计算,分析了浮式风机基础的结构动力特性及水动力特性随水深的变化规律,研究了浅水条件下非线性波浪荷载特征。研究结果表明,随着水深的减小,风机基础结构垂荡固有周期略有增大,垂荡和纵摇的阻尼比均呈现逐渐增大的趋势;与黏性流理论计算结果相比,势流结果在浅水波浪工况下对垂荡和纵摇RAO存在显著低估;在浅水波浪作用下,风机基础所受波浪荷载的三倍波频成分占比可超过5%,体现了浅水条件下波浪与结构之间较强的非线性作用。     

极端波浪作用下海上施工栈桥承载性能评估

海上施工栈桥作为一种可以快速装配的施工辅助设施,在跨海大桥建设中得到广泛应用。为研究海上施工栈桥在极端波浪作用下的结构性能,基于波浪增量分析(IWA)理论,提出海上施工栈桥承载性能评估方法。以某在役海上施工栈桥为例,考虑杆件弹塑性和节点局部柔性建立结构非线性分析模型,评估了海上施工栈桥在不同方向极端波浪荷载作用下的结构承载性能及倒塌失效模式。研究表明,随着极端波高逐渐增大,栈桥依次出现首次屈服、塑性铰和倒塌起始三种非线性行为点,结构将依次经历正常使用、可以使用、临近倒塌和倒塌破坏四个承载性能状态;波浪入射方向对于海上施工栈桥的承载性能和倒塌失效模式影响较大;海上施工栈桥的主要薄弱部位位于钢管桩桩底及其与支撑框架下横撑相交的节点处,应在设计中重点关注。     

海上风电伞式吸力锚基础结构优化设计及承载优势分析

海上风电基础是制约海上风电发展的一个重要因素,大力发展经济与效用兼备的新型基础刻不容缓。本文基于新型的海上风电伞式吸力锚基础(USAF)的已有结构,借助大型通用有限元软件ABAQUS构建出一系列不同尺寸的伞式吸力锚基础(USAF)有限元模型,并通过模态分析等动力分析得到最佳伞式吸力锚基础(USAF)结构尺寸,最后,将最佳伞式吸力锚基础(USAF)与常规单筒吸力锚基础在单一荷载下的极限承载力进行比较,证明了伞式吸力锚基础(USAF)具有良好的承载优势。     

波浪作用下斜坡上护面块体内部应力分布数值模拟

基于3D FEMDEM方法建立三维原型尺度数值模型,模拟波浪荷载作用下斜坡上护面块体内部的应力分布。波浪作用下结构物的水动力荷载采用微幅波理论模拟,护面块体之间的运动、碰撞接触以及块体内部的应力变化采用3D FEMDEM方法模拟。块体之间的接触力采用基于势函数的罚函数法计算,有限元的变形采用中心差分的显式方法求解。应用该数值模型与ANSYS软件程序对自重作用下混凝土扭王字块的内部应力分布特性进行了比较分析,验证了数值模型应力计算的可行性和计算精度。通过数值模拟计算给出了波浪作用下斜坡上护面块体之间的相对运动和块体内部的应力分布及应力历时曲线,探讨了块体内部应力变化特性。     

复合加载下考虑接触作用的地基承载特性数值分析

港口、海洋工程结构物基础一般处于复合加载状态,其极限承载力通常采用近来引入的极限荷载图进行评价.对位于地基表面的重力式海洋基础,需要考虑基础与地基间的接触特性对极限承载力的影响.以大型通用有限元软件ABAQUS为计算平台,建立了复合加载模式的地基极限承载力数值分析方法;针对饱和黏土地基上的表面基础,利用在ABAQUS平台上开发的接触计算模块,模拟基础与地基间竖向可分离、切向完全粘结的接触作用;进而基于建立的分析方法,进行系统的有限元计算,分析地基的破坏模式随荷载条件的变化,给出地基的极限荷载包络图,并与经典承载力计算公式结果进行对比.研究结果表明,经典承载力计算公式低估了三维荷载条件下的地基极限承载力,有限元计算模型及数值分析方法,可以较好地分析研究地基的失稳机理及承载力特性,并可考虑基础与地基不同的接触条件对破坏模式及组合极限承载力的影响.     

海浪对北太平洋海-气二氧化碳通量的影响

利用4种海-气界面气体传输速率公式对比研究了北太平洋气体传输速率及其CO₂通量的季节变化特征。与单纯依赖风速的算法相比, 考虑波浪影响的气体传输速率和CO₂通量在空间分布和季节变化上具有明显差异。在低纬度地区(0°～30°N), 波浪参数使气体传输速率下降, 海洋对大气CO₂的吸收减少, 而在30°N以北范围内则出现新的气体传输速率高值区, 海洋对大气的吸收增加。进一步研究了黑潮延伸体区域的气候态月平均气体传输速率和CO₂通量。结果表明, 该区域气体传输速率和CO₂通量最大值分别出现于冬季和春季, 引入波浪参数后, 虽然该区域气体传输速率和CO₂通量平均值没有明显差异, 但季节变化强度显著增强。     

基于实测波浪的单桩式海上风电基础波浪力计算研究

基于实测波面的波浪力获取作为结构动力响应分析以及数字孪生模型建立的必备环节,对海上风电数字化运维至关重要。为了满足更大的装机容量需求,单桩式海上风电基础趋于大型化,其尺度因子D/L也随之增大;并且实际海域均为非规则波,以尺度因子划分波浪力计算理论的方法对非规则波的适用性尚不明确。通过建立数值水槽,依据实际工况对不规则波与桩基的作用进行数值模拟,得到入射波浪场与桩基所受波浪力,在此基础上,基于入射波浪场分别采用Morison方程以及绕射理论求解波浪力并将之与数值模拟结果进行对比,分析了不同波浪力计算理论关于尺度因子的适用性,同时探究了波浪要素对计算精度的影响。结果表明：Morison方程在波高较大时精度下降;相对于Morison方程,绕射理论在该尺度下的精度更高。最后,通过分析实测数据进一步探讨了典型工况下的波浪力特征,以期通过实测波面计算波浪力的方法为实际服役风机波浪力计算提供技术支持。