開(kāi)縫和開(kāi)孔對(duì)碼頭上部結(jié)構(gòu)沖擊效果的影響

開(kāi)縫和開(kāi)孔對(duì)碼頭上部結(jié)構(gòu)沖擊效果的影響

碼頭上部結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于波浪的影響之下，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，造成經(jīng)濟(jì)損失和安全威脅。在傾斜接地高樁碼頭，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，波浪的影響更加嚴(yán)重。因?yàn)閮A斜接地高樁碼頭通常建在底部地形上的海岸上，并將工作臺(tái)的背面與海岸相連。這是一個(gè)封閉的空間。當(dāng)波浪通過(guò)梯度上升時(shí)，水深沿程下降，波高沿程增加，波可以增加，但由于板材底部的形狀，閉合空間的沿程減少，波可以積聚在板的背面。這將增加整個(gè)板的影響。在此基礎(chǔ)上，一些工程研究人員提出，可以通過(guò)在板與工作臺(tái)的接觸部位開(kāi)縫，或在碼頭板上開(kāi)孔，從而降低波浪的力。開(kāi)口后，尾波能和空氣一起釋放，這對(duì)板的最大沖擊壓力以及板的壓力分布、總壓力分布和總上托力（總力）的大小有一定的影響。同樣，在這幅板上開(kāi)孔后，將釋放部分能量，這將對(duì)板的最大影響、重量和總力的特性產(chǎn)生一定的影響。目前，關(guān)于波對(duì)工作臺(tái)板的影響研究很多，但研究工作臺(tái)板的后開(kāi)口和工作臺(tái)的影響并不能研究。在本文中，我們綜合分析了碼頭板的影響、開(kāi)口寬度的影響、開(kāi)口的影響和開(kāi)口率的影響。1試驗(yàn)總結(jié)1.1面板上開(kāi)孔試驗(yàn)試驗(yàn)主要對(duì)3種結(jié)構(gòu)布置形式進(jìn)行考察,分別為帶橫縱梁接岸面板、帶橫縱梁板尾部開(kāi)縫面板、帶橫縱梁板上開(kāi)孔面板.試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾萌鐖D1所示,斜坡坡度1∶2,斜坡面形式為拋石護(hù)岸,模型比尺為1∶36.試驗(yàn)中面板尾部開(kāi)縫和面板上開(kāi)孔試驗(yàn)的主要目的是考察斜坡接岸情況下,碼頭面板下封存空氣對(duì)面板上托力的影響,因此試驗(yàn)中面板后緣與斜坡的開(kāi)縫間距變化范圍較小,分別取為2cm,3cm和4cm,開(kāi)孔率分別為一個(gè)框架單元開(kāi)3孔和開(kāi)5孔,孔直徑為1.2cm,具體布置見(jiàn)圖2.面板的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示.沿波浪傳播方向的寬度B取為102cm,橫梁的高為8cm,寬4cm,橫梁間距(中?中)為24.75cm;縱梁的高為5cm,寬2cm,縱梁間距(中?中)為20cm.圖2中壓強(qiáng)傳感器的編號(hào)為從波浪入射方向開(kāi)始依次為編號(hào)1至編號(hào)20.試驗(yàn)水深d=50cm,波高H=10cm,15cm,20cm,周期T=1.5s,超高波高比Δh/H=0.2.1.2波浪力的重復(fù)性試驗(yàn)測(cè)量了面板波浪總力和沖擊壓強(qiáng),采樣頻率為125Hz.由于波浪沖擊作用的復(fù)雜性,即使在規(guī)則波情況下每個(gè)波周期內(nèi)波浪力的大小和作用時(shí)間都會(huì)發(fā)生變化,故應(yīng)對(duì)波浪力的重復(fù)性進(jìn)行考察.通過(guò)試驗(yàn)分析可知,波浪力數(shù)據(jù)系列的平均值比較穩(wěn)定,故在數(shù)據(jù)分析中采用該平均值作為波浪力的測(cè)量值.2最大沖擊合理.通過(guò)前面的分析可知,碼頭面板尾部接岸端沖擊壓強(qiáng)通常比板上其他部分沖擊壓強(qiáng)大很多.不過(guò)在試驗(yàn)分析時(shí)也發(fā)現(xiàn)受相對(duì)超高、波陡等因素的影響,不同的波浪條件下,最大沖擊壓強(qiáng)也會(huì)出現(xiàn)在面板的前部,但此時(shí)尾部接岸端處的沖擊壓強(qiáng)仍然是比較大的,大多數(shù)情況下和前部的最大沖擊壓強(qiáng)在量級(jí)上是相當(dāng)?shù)?2.1開(kāi)縫對(duì)沖擊壓力的影響當(dāng)斜坡接岸式高樁碼頭面板尾部開(kāi)縫時(shí),面板與斜坡間積聚的波能和封閉的空氣層將隨面板尾部開(kāi)縫而減弱,波能消減將使沖擊壓強(qiáng)減小,然而封閉空氣層的減弱卻可能使得面板上的沖擊壓強(qiáng)因?yàn)榭諝鈱拥木彌_作用減弱而增大,此外波浪沖擊角度也會(huì)有所改變,因此斜坡開(kāi)縫時(shí),尤其開(kāi)縫比較小的情況下,在不同的波浪和邊界條件下,板上沖擊壓強(qiáng)尤其是尾部沖擊壓強(qiáng)可能變大也可能變小,變化比較復(fù)雜.當(dāng)開(kāi)縫較大時(shí),封閉空氣層的影響相對(duì)減弱,而波浪也可以從面板后縫隙中透過(guò),實(shí)際上也就是斜坡離岸式情況,此時(shí)波浪動(dòng)力和封閉空氣的消減程度都比較大.圖3為接岸板、開(kāi)縫板、開(kāi)孔板3種結(jié)構(gòu)下最大沖擊壓強(qiáng)的比較.圖中橫坐標(biāo)為面板上壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)距面板前端的距離x,縱坐標(biāo)為相對(duì)沖擊壓強(qiáng)p/ρgH,其中p為各測(cè)點(diǎn)沖擊壓強(qiáng),ρ為水密度,g為重力加速度,H為入射波高.從圖3可知,斜坡開(kāi)縫面板底部沖擊壓強(qiáng)在面板上的分布與斜坡接岸情況基本類似,但在局部會(huì)有些變化.中等周期、波高比較小時(shí),整個(gè)沖擊壓強(qiáng)沿面板近似均勻分布,對(duì)于斜坡接岸,面板的前段沖擊壓強(qiáng)更大些,最大沖擊壓強(qiáng)出現(xiàn)在面板的前端,而尾部開(kāi)縫后,前段的沖擊壓強(qiáng)有所減小,后段的沖擊壓強(qiáng)則略有上升,因而最大沖擊壓強(qiáng)反而出現(xiàn)在面板后端,開(kāi)縫寬度比較大時(shí)后部的沖擊壓強(qiáng)略有下降,中部沖擊壓強(qiáng)則有所增加.中等波高下,斜坡接岸沖擊壓強(qiáng)在整個(gè)面板上分布較均勻,但在尾部沖擊壓強(qiáng)大幅度增加,開(kāi)縫后,尾部對(duì)應(yīng)于接岸結(jié)構(gòu)最大沖擊壓強(qiáng)所在位置的沖擊壓強(qiáng)有較大幅度的下降,前段的沖擊壓強(qiáng)則有所上升.波高比較大時(shí),同樣是最大沖擊壓強(qiáng)出現(xiàn)在尾部,但此時(shí)最大沖擊壓強(qiáng)和面板上其他點(diǎn)壓強(qiáng)之間的差別減小,開(kāi)縫后尾部原最大沖擊壓強(qiáng)所在位置的壓強(qiáng)略有改變,既有增大也有減小,而中前段沖擊壓強(qiáng)則有較大增加,并出現(xiàn)幾個(gè)較大的峰值點(diǎn),使得面板上最大沖擊壓強(qiáng)轉(zhuǎn)移到面板中前部.總體上來(lái)講,開(kāi)縫的影響和開(kāi)縫寬度有較大關(guān)系,開(kāi)縫寬度太小,空氣先逸出,而隨后泄出的波能水體卻不多,這時(shí)由于空氣的氣墊作用減弱,尾部沖擊壓強(qiáng)反而增大;當(dāng)開(kāi)縫寬度比較大時(shí),波能大量泄出,沖擊壓強(qiáng)則有明顯的減小.根據(jù)試驗(yàn)資料,建議開(kāi)縫寬度不宜小于波高的一半即H/2.斜坡接岸式高樁碼頭面板上開(kāi)孔可以泄掉部分板下積聚的波能,使面板下沖擊壓強(qiáng)減小,此外空氣可從孔中向外逃逸,使氣層的緩沖作用減弱,這樣作用到面板上的沖擊又會(huì)變大.這兩者影響的相對(duì)大小,決定了開(kāi)孔后面板上最大沖擊壓強(qiáng)是增大還是減小.試驗(yàn)中選用了開(kāi)3孔和開(kāi)5孔2種方案以考察開(kāi)孔率不同對(duì)最大沖擊壓強(qiáng)大小的影響.從試驗(yàn)結(jié)果看,開(kāi)孔對(duì)沖擊壓強(qiáng)的大小、位置有一定影響,但規(guī)律性和效果都不是很明顯.當(dāng)開(kāi)孔率較小時(shí),氣體從孔中緩慢釋放,氣墊的影響減弱,但對(duì)沖擊壓強(qiáng)仍有一定影響,同時(shí)空氣下的水體能量釋放更有限,因此沖擊壓可能不變也可能有一定程度的增加,但增幅不大;隨開(kāi)孔率增加,空氣釋放得更多,波浪能直接沖擊到面板上,沖擊壓強(qiáng)會(huì)有比較大的增加.此外,沖擊壓強(qiáng)的分布也會(huì)有一些改變.波高比較小時(shí),封閉面板上各點(diǎn)沖擊壓強(qiáng)峰值平均值在面板上近似均勻分布,最大沖擊壓強(qiáng)在面板的前端,波浪動(dòng)力作用相對(duì)較小,開(kāi)孔后,泄去部分波能帶來(lái)的影響弱于空氣逸出的影響,原封閉面板上沖擊壓強(qiáng)比較大的幾個(gè)點(diǎn)沖擊壓強(qiáng)有較大幅度的增加,最大沖擊壓強(qiáng)出現(xiàn)的位置隨開(kāi)孔數(shù)增加向面板后轉(zhuǎn)移.波高比較大時(shí),封閉面板上最大沖擊壓強(qiáng)出現(xiàn)在面板的尾部,波浪動(dòng)力比較大,積聚的波能也較多,相應(yīng)的波能從孔中泄出的影響更大,開(kāi)孔后尾部沖擊壓強(qiáng)有較大幅度的減小,而面板中前部沖擊壓強(qiáng)略有減小,變化幅度不大.另外波高比較小時(shí),開(kāi)3孔和開(kāi)5孔后的沖擊壓強(qiáng)在面板后差別較大,而波高較大時(shí),2種情況下沖擊壓強(qiáng)很接近,沒(méi)有太大的差別.2.2開(kāi)縫后面板總力的分布表1給出了不同波高下接岸板、開(kāi)縫板、開(kāi)孔板底部總力的比較,此處總力為波浪力數(shù)據(jù)系列中的最大值.表1數(shù)值為各工況下3種面板結(jié)構(gòu)上總力與接岸板上總力的比值.圖4為與表1中H=20cm工況下總力對(duì)應(yīng)時(shí)刻的面板上壓強(qiáng)分布.由文獻(xiàn)中描述的上托力特征可知,碼頭面板底部所受的波浪總力與沖擊壓強(qiáng)的動(dòng)力過(guò)程基本相似,但面板總力除了與面板上壓強(qiáng)大小有關(guān)外,還與面板上的壓強(qiáng)分布有關(guān).從圖4來(lái)看最大總力與最大沖擊壓強(qiáng)并不對(duì)應(yīng),也即最大總力對(duì)應(yīng)的面板上壓強(qiáng)分布通常為均勻分布,均布?jí)簭?qiáng)的量值并不一定很大,但其分布寬度比較大,導(dǎo)致最終面板上總力值很大.故最大總力的大小變化與前面描述的最大沖擊壓強(qiáng)的變化有一定的區(qū)別.開(kāi)縫后,最大總力對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)分布基本上還保持均勻分布的特點(diǎn),但對(duì)應(yīng)的分布寬度和壓強(qiáng)在面板上的分布布局發(fā)生了變化,對(duì)總力起主要作用的壓強(qiáng)段從面板后逐漸移至面板的中部,中部的均布?jí)簭?qiáng)值變大,兩端的均布?jí)簭?qiáng)值減小,壓強(qiáng)分布特點(diǎn)接近于文獻(xiàn)中離岸式碼頭面板底部壓強(qiáng)分布.事實(shí)上,當(dāng)面板尾部開(kāi)縫到一定大小時(shí),開(kāi)縫結(jié)構(gòu)上波浪力的作用與離岸式結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)相當(dāng)接近,而從文獻(xiàn)的研究結(jié)果可知離岸結(jié)構(gòu)面板底部總力在同樣的波浪條件下比接岸結(jié)構(gòu)要小,故可以判斷當(dāng)面板尾部開(kāi)縫較大時(shí)有助于減小面板底部所受的總力.在本試驗(yàn)范圍內(nèi),由于開(kāi)縫后面板上壓強(qiáng)的大小也發(fā)生了變化,結(jié)合壓強(qiáng)分布的變化使得最終的效應(yīng)是開(kāi)縫后總力大小與開(kāi)縫前相比可能大也可能小,并沒(méi)有明顯的規(guī)律,雖然如此,但從規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果仍可以看出,開(kāi)縫寬度達(dá)到一定值時(shí),總的趨勢(shì)是總力有所變小,因此較大的開(kāi)縫對(duì)面板上總力仍會(huì)有一定的改善作用.面板上開(kāi)孔后,面板下空氣從孔中逸出,同時(shí)部分波能也通過(guò)孔泄掉,從而改變了面板下的沖擊壓強(qiáng)和壓強(qiáng)在面板上的分布.從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,盡管面板上開(kāi)孔對(duì)面板下氣層的分布產(chǎn)生改變,但面板上壓強(qiáng)分布的布局沒(méi)有本質(zhì)的改變,而局部的壓強(qiáng)大小因?yàn)闅怏w的逸出和波能的宣泄而發(fā)生了變化,最終反映為總力大小的改變.從規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,開(kāi)孔對(duì)壓強(qiáng)分布的改變不大,但總體上開(kāi)孔后壓強(qiáng)值變小,因而最后總上托力隨開(kāi)孔而減小,并且開(kāi)孔數(shù)越多,減小得越多.3開(kāi)縫和開(kāi)孔之間的關(guān)系a.從規(guī)則波試驗(yàn)來(lái)看,開(kāi)縫的影響和開(kāi)縫寬度有較大關(guān)系,開(kāi)縫寬度較小時(shí),空氣先逸出,而隨后泄出的波能水體卻不多,這時(shí)由于空氣的氣墊作用減弱,尾部沖擊壓強(qiáng)反而增大,當(dāng)開(kāi)縫寬度比較大時(shí),波能大量泄出,沖擊壓強(qiáng)則有明顯的減小.總力的大小與面板上的均布?jí)簭?qiáng)大小和壓強(qiáng)分布有關(guān),由于開(kāi)縫后面板上壓強(qiáng)分布和均布?jí)簭?qiáng)大小都發(fā)生了改變,故開(kāi)縫后總力大小與開(kāi)縫前相比可能大也可能小,并沒(méi)有明顯的規(guī)律.開(kāi)縫對(duì)總力的影響有限,但開(kāi)縫寬度達(dá)到一定值時(shí),對(duì)面板上總力仍會(huì)有一定的改善作用.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,建議開(kāi)縫寬度不宜小于H/2.b.面板上開(kāi)孔可以泄掉部分面板下積聚的波能,使面板下沖擊壓強(qiáng)減小,然而空氣從孔中向