波浪理論以及工程應(yīng)用05

波浪理論以及工程應(yīng)用05波浪周期性水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主體彎矩振動(dòng)斷裂疲勞運(yùn)動(dòng)海洋結(jié)構(gòu)物與波浪的相互作用

3作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力根據(jù)結(jié)構(gòu)物的特征尺度，可以分為小尺度構(gòu)件和大尺度結(jié)構(gòu)兩種不同類型。其劃分標(biāo)準(zhǔn)為：為小尺度構(gòu)件

入射問題；為大尺度構(gòu)件

輻射問題。例：自升式平臺(tái)：D=O(1m),L=O(100m),D/L=0.1半潛式平臺(tái)：D=O(100m),L=O(300m),D/L=0.3對(duì)于入射問題，通?？梢杂枚S方法處理：Morison方程法，對(duì)于輻射問題，通?？梢杂萌S方法處理：源匯分布方程法。3作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力1均勻流誘導(dǎo)荷載物理模型：圓柱(樁柱)：直徑D，一端垂直剛性固定在海底，另一端露出水面；水域：剛性海底平行靜止表面，水深d,均勻流速Vx.坐標(biāo)系：xoz:ox

在靜止水面，沿流方向；

oz

垂直靜止水面向上。求解問題：水流作用在單位長(zhǎng)度豎直圓柱上的水平力和橫向力？3作用在結(jié)構(gòu)物上的波浪荷載水平力：式中：D為樁柱直徑，Vx為流速，Cd為相當(dāng)于迎流面積的阻力系數(shù)，為水密度。阻力系數(shù)：3.3作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載3.3作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載橫向力：脈動(dòng)式中：卡門渦街釋放頻率S為Strouhal數(shù)。由下圖可見，通常。在一個(gè)卡門渦街釋放周期內(nèi)水流流過5倍的圓柱直徑的距離。3.3作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載流3.3作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載3.3作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載3.3作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力物理模型：圓柱(樁柱)：直徑D，一端垂直剛性固定在海底，另一端露出水面；水域：剛性海底平行靜止水面，水深d,自由表面為線性波，H/L<<0.1；坐標(biāo)系：xoz:ox

在靜止水面，沿流方向；oz

垂直靜止水面向上，原點(diǎn)于波峰下靜止水面(余弦波)。求解問題：波浪流場(chǎng)作用在單位長(zhǎng)度圓柱上的水平力?波浪誘導(dǎo)荷載其中：第一項(xiàng)為單位長(zhǎng)度圓柱上的阻力(Drag)，第二項(xiàng)為單位長(zhǎng)度圓柱上的慣性力。為相對(duì)于迎流面積的阻力系數(shù)。為相對(duì)于迎流面積的質(zhì)量系數(shù)。3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力波浪力的計(jì)算-Morison方程式中：

波浪誘導(dǎo)水質(zhì)點(diǎn)水平速度分量，波浪誘導(dǎo)水質(zhì)點(diǎn)水平加速度分量。為單位長(zhǎng)圓柱迎浪面積。為單位尺度圓柱排水體積。3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力立柱上的總波浪誘導(dǎo)載荷K為

Keulegan-Carpenter數(shù)：為水質(zhì)點(diǎn)按水平速度幅值在一個(gè)震蕩周期所移動(dòng)的距離與圓柱直徑之比。k/D為柱體表面相對(duì)粗糙度3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力不考慮系數(shù)隨時(shí)間的變化，有：震蕩流慣性力為主要成分準(zhǔn)均勻流阻力為主要成分中間流慣性力與阻力為成分相當(dāng)3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Sapkaya(1977)振蕩流試驗(yàn)的結(jié)果。3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Sapkaya(1977)用粗糙圓柱體水平放置在U形管內(nèi)，作振蕩流試驗(yàn)的結(jié)果。3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Chakrabarti(1982)在波浪水槽中用垂直柱體，在規(guī)則波中試驗(yàn)得到慣性力、阻力和橫向力系數(shù)，結(jié)果如下3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Tanaka等人(1983)和Bearman(1984)等人給出光滑固定正方形柱體的水動(dòng)力系數(shù)。正方形柱體棱邊向著振蕩流，CM和CD是KC數(shù)的函數(shù)。從中可看出CM比圓形柱體相應(yīng)值大。3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力波浪誘導(dǎo)橫向載荷式中為相位角。升力系數(shù)為雷諾數(shù),相對(duì)粗糙度和Keulegan-Carpenter數(shù)K的函數(shù)。.Sarpkaya對(duì)于相關(guān)的水動(dòng)力系數(shù)提供了試驗(yàn)結(jié)果，可供設(shè)計(jì)中使用。3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力橫向力頻率相對(duì)頻率3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Sarpkaya建議：當(dāng)取當(dāng)雷諾數(shù)很大取另外，當(dāng)k/D=310-3

時(shí)，Cl同Re無關(guān)，可以用光滑圓柱的結(jié)果。3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力傾斜構(gòu)件上的荷載

VsVnV傾斜柱體上的波浪力是根據(jù)在柱體上任一點(diǎn)處，與柱軸垂直的水質(zhì)點(diǎn)的速度vn和加速度vn確定的，可以通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，應(yīng)用Morison方程計(jì)算。.3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力傾斜構(gòu)件上的荷載對(duì)于傾斜柱體，在柱體上任一點(diǎn)處，與柱軸垂直的水質(zhì)點(diǎn)的速度vn和加速度vn是由波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度u和加速度a組成。由于波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度分量和加速度分量的大小是不同的，使得速度u和加速度a雖同在zox平面內(nèi)，但不在一條線上，故在一般情況下，對(duì)于任意方向的傾斜柱體，與柱軸正交的速度vn和加速度vn．將不在一空間平面內(nèi)。因此由拖曳力和慣性力迭加的總力，就必須寫為矢量形式。對(duì)于傾斜柱體—般形式下的莫里森方程應(yīng)寫為：...3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力傾斜構(gòu)件上的荷載..水動(dòng)力系數(shù)：Cd,Cm=f(Re,k/D,K)3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力組合構(gòu)件半潛式平臺(tái)桁架腿自升式平臺(tái)3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力組合構(gòu)件組合構(gòu)件上的波浪力計(jì)算可以對(duì)各子構(gòu)件按照各自的尺寸和方向計(jì)算法向流體速度和加速度，計(jì)算阻力系數(shù)和慣性力系數(shù)，從而計(jì)算波浪力，將所有構(gòu)件的波浪力疊加得到總波浪力3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力組合構(gòu)件由于各樁柱上波浪力峰值出現(xiàn)方向和相位不同，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)，必須對(duì)多個(gè)波浪周期，多個(gè)波浪方向和相位的總波浪力進(jìn)行分析對(duì)比，才能得到最危險(xiǎn)狀態(tài)下的總波浪載荷。3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力群樁效應(yīng)按排或列布置的構(gòu)件之間會(huì)產(chǎn)生相互作用，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮構(gòu)件的遮擋作用和相互干擾作用。前排樁對(duì)后一排樁有遮擋作用，可以減輕波浪對(duì)后排樁的作用；位于同一排的樁之間有干擾作用，從而增加波浪對(duì)樁柱的作用力。3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力群樁效應(yīng)群樁的遮擋和干擾作用主要和樁距l(xiāng)與樁徑D之比和KC數(shù)有關(guān)。一般認(rèn)為當(dāng)l>=4D時(shí)，遮擋作用和干擾作用可不考慮;當(dāng)l<4D時(shí)，應(yīng)將波浪載荷乘以群樁系數(shù)K’。K’值應(yīng)盡量由試驗(yàn)確定，當(dāng)試驗(yàn)資料不足時(shí)，可參照下表選用3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力非線性效應(yīng)線性波作用下的波浪荷載取決于波浪作用下水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度。線性波的條件為而對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)物的極限設(shè)計(jì)海況，H/L一般在0.1的量級(jí)，為考查非線性的影響，對(duì)H/L=0.1的荷載計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，以得到定量概念。分別用線性波理論和stokes五階波理論進(jìn)行波浪力的計(jì)算，結(jié)果表明采用五階波理論計(jì)算的波浪力比用線性波理論計(jì)算的波浪力大1.6倍，說明在大波陡的情況下必須用非線性波浪理論進(jìn)行波浪力的計(jì)算。3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

非線性影響-海流速度的影響3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.4計(jì)入構(gòu)件運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的波浪荷載Morison方程中的阻力項(xiàng)其中速度平方項(xiàng)可近似為則有3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的阻力項(xiàng)阻力項(xiàng)阻尼項(xiàng)其中Ca阻尼系數(shù)。構(gòu)件呈撓性，適當(dāng)?shù)奈灰瓶梢葬尫乓恍┖奢d的能量，以減小波浪荷載。3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的慣性力項(xiàng)單位長(zhǎng)度圓柱上水作用的慣性力：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度圓柱運(yùn)動(dòng)引起的慣性力：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度圓柱運(yùn)動(dòng)水作用的慣性力：慣性力之和：3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的慣性力項(xiàng)慣性力之和：慣性力項(xiàng)附加水質(zhì)量慣性力項(xiàng)其中：3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的慣性力項(xiàng)慣性力之和：慣性力項(xiàng)附加水質(zhì)量慣性力象構(gòu)件運(yùn)動(dòng)帶有附加水，這部分水的慣性力有可能導(dǎo)致荷載增加。3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力水平力=阻力項(xiàng)+阻尼項(xiàng)+慣性力項(xiàng)+附加質(zhì)量項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)：Cd,Cm,Ca,ma=f(Re,k/D,K)3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力規(guī)范中對(duì)各項(xiàng)系數(shù)的規(guī)定迄今，有關(guān)CM、Cd和Cl的已有資料，沒有一組數(shù)據(jù)能令人信服地用于實(shí)體的各種情形。把試驗(yàn)結(jié)果用于實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，必須極其小心。因?yàn)?，現(xiàn)有的資料都是在特定狀態(tài)下得到的，所介紹的比較和證實(shí)方法都有自身的規(guī)定，尚無普遍適用的具體準(zhǔn)則。3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力1．美國(guó)石油學(xué)會(huì)作用在構(gòu)件上的波浪力建議用Morison公式進(jìn)行計(jì)算。典型的CM和CD值分別給定為1.5至2.0，以及0