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文檔簡介
雙樁串列時的受力特性研究
0應用上的不足柱群和小柱組的波浪負荷是海洋工程流量分析的基本問題。1950年Morison方程的出現(xiàn)為解決作用于單樁上的正向力計算提供了一個實用方法,盡管它在理論上不嚴密,有時還會產(chǎn)生較大誤差,但在工程上它是迄今唯一可供實際應用的方法,因而得到了廣泛應用。對于樁群的荷載尚少研究,特別是在不規(guī)則波和水流聯(lián)合作用下的荷載問題迄今尚未見報導,但在工程實際上它卻比單樁更為常見,本文是繼作者對并列雙樁的研究之后,又對串列雙樁在不規(guī)則波和水流聯(lián)合作用下的受力問題進行的研究。由于其周圍流場十分復雜,目前現(xiàn)實的手段是以實驗研究為主。1群樁升力分析對于多樁的荷載問題有二種分析方法:一種方法和單樁相同,即由Morison方程和實測波浪力求得多樁條件下各樁的水動力系數(shù)與參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系,這種關(guān)系即可供實際應用;另一種方法以單樁受力為基礎(chǔ),求得多樁條件下各樁受力與單樁相比的系數(shù)即所謂群樁效應系數(shù),分別定義正向力、升力及合力群樁效應系數(shù)為KGI、KGL及KGR,然后求諸群樁系數(shù)與樁距、KC數(shù)及Re數(shù)等參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系,根據(jù)作者在文獻中所述理由,本文以求群樁效應系數(shù)KG為主。群樁效應系數(shù)KG按時域及頻域二種情況有不同的定義,在時域分析(即統(tǒng)計特征值分析)中KG定義如下:式中F為作用于單樁上的波流力(指某統(tǒng)計特征值),FG為作用于樁群中某樁上的波流力(指同一統(tǒng)計特征值)。群樁系數(shù)對于正向力定義為KGI,對于升力定義為KGL,對于合力定義為KGR??紤]到測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,在分析時波力值一般取有效值,并同時對其統(tǒng)計分布進行分析,從而可將有效值的群樁系數(shù)應用于其它小概率波力特征值的分析計算。在頻域分析(即譜分析法)中KG定義為:式中M0為單樁的波力譜零階矩,M0G為樁群中某樁波力譜的零階矩。對于正向力、升力及合力可分別得對應的群樁系數(shù)為KGI、KGL及KGR。鑒于升力的出現(xiàn)具有極大的隨機性,因而對于群樁的升力值還專門分析了串列前后樁各自的升力系數(shù)CL,其計算方法如下。作用于單元長樁上的升力幅值為式中D為樁徑,uc為水流流速,um為波浪水質(zhì)點波動速度幅值,在不規(guī)則波條件下取有效波高H1/3及波譜峰頻fp計算um,由線性波理論可得式中ωp為波譜峰圓頻率,R(z)=coshfp(z+d)/sinhkpd,其中kp為譜峰頻的相應波數(shù),它應滿足(ωp-kpuc)2=kpgtanhkpd,d為水深。作用于樁上的總升力為式中γ為水的容重,H=H1/3及當取升力有效值(FL)1/3時,升力系數(shù)(CL)1/3為在分析群樁系數(shù)與各參數(shù)的相關(guān)關(guān)系時,KC數(shù)及Re數(shù)是二個重要的參數(shù)。在波浪與水流共存時,有不同的KC數(shù)定義方法,作者的分析認為采用如下定義方法可將波流條件下的KC數(shù)與純波時的KC值自然地統(tǒng)一起來,并具有相同的意義。它定義為式中S1為波動水質(zhì)點在一個周期中向樁的一側(cè)移動的最大距離,S1/D值可表征樁后脫落的渦體在往復水流中移動時可能重復給予樁柱的影響程度,即為表征樁柱周圍流態(tài)的特征參數(shù),式(8)也可寫為:式中Φ=arccos[|uc|/um],T為波周期。在不規(guī)則波條件下在計算KC值時,如采用波高為H1/3,波周期為譜峰頻周期Tp,此時得KCp,如取平均波高及平均周期及,則得KCA,如此等等。2實驗設(shè)備、組、方法2.1樁柱流速、波流力測量實驗在大連理工大學的大波流水槽內(nèi)進行。槽長69m,寬2m,高1.8m,裝有液壓驅(qū)動的不規(guī)則波造波機,由PDP11/24小型機進行控制、數(shù)據(jù)采集及分析。流速用光電流速儀進行測量。樁柱設(shè)于距造波板約30m處,同時測單樁及串列雙樁上的波流力,單樁與雙樁間相距1.5m,單樁在前,它對雙樁已幾乎沒有影響。試驗水深為1m,樁柱上的正向力及升力由702所制造的測力天平同步測量。模型樁徑為40及60mm,系統(tǒng)在水中的自振頻率為7.0~8.5Hz。2.2靜水保護方式穩(wěn)定流為順流,取三種速度,范圍為8.0~22cm/s。根據(jù)作者的試驗,波譜形狀對波流力結(jié)果影響不明顯,故本試驗中只取一種譜型(靜水中為Bretschneioler譜),有效波高取四種,范圍為10~25cm,峰頻為0.35~0.50Hz,樁中心距S為1.5D、2.0D、3.0D、5.0D、8.0D、10.0D及15.0D,共有224種組合,每種組合至少重復三次,總實驗組次近千組,實驗的KCp范圍為6~60,Re數(shù)范圍為(0.55~3.43)×10。3結(jié)果與分析3.1不同流速下樁群效應對波流力分布影響波高,單樁與串列前后樁正向力及升力統(tǒng)計分布的典型示例分別為圖1、圖2及圖3。實測統(tǒng)計特征值之比的變化范圍可見表1。由圖可見在水流中波高的統(tǒng)計分布仍和瑞利分布相近。由表1可見合力的統(tǒng)計分布與正向力分布比較接近,這說明合力主要受正向力的影響;另外在各種條件下串列雙樁上的波流力的統(tǒng)計分布和單樁的分布相當接近,這說明樁群效應對樁力的統(tǒng)計分布不發(fā)生明顯影響。水流改變了波譜的能量分布,因而也改變了譜特征周期。作者分析了在不同流速時各特征周期與T1/3或之比的變化如表2所示。由表可見,在試驗條件下,水流對特征周期的比值的影響在其自身變幅范圍之內(nèi),該變幅范圍較大,不易明確確定,但譜峰頻在有流或無流時始終不變,因而取譜峰頻周期作為特征周期將是很方便的。3.2不同樁距下樁群樁系數(shù)與kcp相關(guān)圖的關(guān)系按時域及頻域二種方法對串列前后樁受力的群樁系數(shù)進行了分析,考慮到數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,統(tǒng)計特征值取有效值進行分析。圖4(a)及(b)為前后樁正向力有效值群樁系數(shù)(KGI)1/3與KCp相關(guān)圖的典型示例,由于點據(jù)有一定的離散性以點據(jù)的包絡(luò)線表示KG1~KCp的相關(guān)曲線,圖4(c)及(d)為不同樁距條件下前后樁(XGI)1/3與KC1的相關(guān)圖的綜合結(jié)果。由圖可見,包絡(luò)線隨樁距及KCp變化的規(guī)律性是明顯的。對前樁而言,當樁距S與樁徑D比大于等于3時(KGI)1/3即趨近于1.0,這和純波條件下的試驗結(jié)果是相似的,對于后樁,當S/D=15.0時,(KGI)1/3尚在0.9~1.04范圍內(nèi)變化,特別在大KC數(shù)時,即流速較大時,(KGI)1/3仍在0.9左右,這是值得注意的,它說明水流的存在使后樁受前樁的影響增大,其增大程度與流速大小有關(guān)。圖5為純波時(KGI)1/3與KC1/3的相關(guān)圖,該圖引自文獻。圖6為以力譜面積方根值所表示的前后樁群樁系數(shù)(KGI)m在不同相對樁距S/D時與KCp相關(guān)圖的綜合。和圖4相比二者大體上相似,資料分析表明(KGI)m值比(KGI)1/3值更為穩(wěn)定。3.3樁群與樁距s/d及kcp的關(guān)系從串列前后樁上正向力與升力同步過程線上可以看出其升力具有如下特征:(1)升力峰的幅值有時可達到和正向力相近的數(shù)值,但二者峰之間一般均有一相位差,同時升力具有更高的頻率;(2)串列樁的升力和單樁上升力相比,無論在峰值的幅值及其與正向力之間的關(guān)系看不出有特殊的差別。圖7為升力譜與正向力譜相互比較的典型示例。從資料分析可知升力譜可以是近于單峰(如圖7b),明顯的多主峰或是較復雜的多峰;在前二者情況下升力譜主峰頻為正向力譜峰頻的N倍(N≥2)。值得指出的是串列前后樁升力譜與單樁升力譜之間沒有明顯的相關(guān)性,這說明樁群的相互影響改變了樁周圍的流場,特別是尾流及渦脫落狀況發(fā)生顯著變化,從而影響了升力的特性。分析表明前后樁升力群樁系數(shù)與相對樁距S/D及KCp的相關(guān)性較差,故本文著重分析了前后樁有效升力系數(shù)(Cs)1/3與S/D及KCp的相關(guān)關(guān)系,其綜合結(jié)果如圖8所示,而圖9為純波時的結(jié)果,圖9引自文獻以與圖8相比較。比較表明:(1)前后樁的升力系數(shù)大于單樁的升力系數(shù),這說明樁群的相互影響對尾流及渦脫落的發(fā)展有重要作用;(2)在純波條件下升力系數(shù)與KC的相關(guān)圖有一個明顯的升力峰值(對前樁約在KC1/3為25~30,對后樁約在KC1/3為17~25),但在波流條件下則不同,顯然水流的存在對柱后的尾流及渦脫落等流場特性具有重要影響。3.4串列前后樁合力與單樁及并列樁相似,串列樁時升力峰與正向力峰值間一般均有明顯相差,因而最大合力出現(xiàn)時刻一般接近于正向力最大值出現(xiàn)的時刻,圖10為一示例。分析還表明,前后樁合力有效值與正向力有效值之比大于1.2出現(xiàn)的概率對前樁小于12%,對后樁小于9%,該比值大于1.15出現(xiàn)的概率對前后樁均小于19%。合力的方向角,當相對樁距S/D≥3.0時,一般均小于20°,在S/D<3.0及3.5≥KCp≥15時偏角較大,可以預期此時柱體周圍的流場是相當復雜的。串列前后樁合力有效值群樁系數(shù)(KGR)1/3及其顯著值群樁系數(shù)(KGR)1/10與樁距S/D和KCp的綜合相關(guān)圖分別見圖11及12;與前述各圖相似,圖中曲線均為實驗點據(jù)的包絡(luò)線。比較圖11及圖12可見,在相同的S/D和KCp值條件下,(KGR)1/3值與(KGR)1/10值相當接近,而且此二值與KCp的相關(guān)關(guān)系也很相似。因而在實用上可以取(KGR)1/3與KCp的相關(guān)圖代替(KGR)1/10與KCp的相關(guān)圖。4串列前后樁升力系數(shù)與經(jīng)濟波力的相關(guān)性綜上所述,可得如下結(jié)論:(1)在水流的作用下波浪譜發(fā)生變形,但變形后波譜的波高統(tǒng)計分布未發(fā)生明顯變化,特征波周期的數(shù)值除譜峰頻fp=1/Tp不變外其它特征值均有變化。因而在有水流的條件下,當為單峰譜時取譜峰頻周期為特征周期是很方便的。(2)雙樁串列時,作用于前后樁上波流力的正向力及合力的統(tǒng)計分布和譜特征與單樁情況仍相似。由于升力的隨機性及不穩(wěn)定性,其譜特征與單樁時無明顯的相關(guān)性,但統(tǒng)計分布仍相似。(3)波流條件下串列前后樁正向力的群樁系數(shù)與相對樁距S/D及KC數(shù)有明顯的相關(guān)性。對于前樁,當S/D≥5后,群樁系數(shù)即趨于1.0;對于后樁,即使S/D≥10在大KC數(shù)區(qū)域(KCp≥45),群樁系數(shù)仍小于或接近0.9。這說明流的存在對后樁影響范圍較大,也說明水流有減小正向力群樁系數(shù)的作用。(4)串列前后樁升力系數(shù)(GL)1/3與相對樁距及KCp有明顯的相關(guān)性。當相對樁距S/D≥3~5時樁的相互作用對升力的影響趨于消失。在純波時,(CL)1/3與KC的相
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