波浪理論以及工程應用05

波浪理論以及工程應用05波浪周期性水質(zhì)點運動結(jié)構(gòu)主體彎矩振動斷裂疲勞運動海洋結(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。其劃分標準為：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：D=O(1m),L=O(100m),D/L=0.1半潛式平臺：D=O(100m),L=O(300m),D/L=0.3對于入射問題，通常可以用二維方法處理：Morison方程法，對于輻射問題，通常可以用三維方法處理：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；坐標系：xoz:ox

在靜止水面，沿流方向；oz

垂直靜止水面向上，原點于波峰下靜止水面(余弦波)。求解問題：波浪流場作用在單位長度圓柱上的水平力?波浪誘導荷載其中：第一項為單位長度圓柱上的阻力(Drag)，第二項為單位長度圓柱上的慣性力。為相對于迎流面積的阻力系數(shù)。為相對于迎流面積的質(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算-Morison方程式中：

波浪誘導水質(zhì)點水平速度分量，波浪誘導水質(zhì)點水平加速度分量。為單位長圓柱迎浪面積。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載荷K為

Keulegan-Carpenter數(shù)：為水質(zhì)點按水平速度幅值在一個震蕩周期所移動的距離與圓柱直徑之比。k/D為柱體表面相對粗糙度3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力不考慮系數(shù)隨時間的變化，有：震蕩流慣性力為主要成分準均勻流阻力為主要成分中間流慣性力與阻力為成分相當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比圓形柱體相應值大。3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力波浪誘導橫向載荷式中為相位角。升力系數(shù)為雷諾數(shù),相對粗糙度和Keulegan-Carpenter數(shù)K的函數(shù)。.Sarpkaya對于相關(guān)的水動力系數(shù)提供了試驗結(jié)果，可供設(shè)計中使用。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頻率3作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Sarpkaya建議：當取當雷諾數(shù)很大取另外，當k/D=310-3

時，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)在柱體上任一點處，與柱軸垂直的水質(zhì)點的速度vn和加速度vn確定的，可以通過坐標轉(zhuǎn)換方法，應用Morison方程計算。.3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力傾斜構(gòu)件上的荷載對于傾斜柱體，在柱體上任一點處，與柱軸垂直的水質(zhì)點的速度vn和加速度vn是由波浪水質(zhì)點的速度u和加速度a組成。由于波浪水質(zhì)點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。對于傾斜柱體—般形式下的莫里森方程應寫為：...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)件半潛式平臺桁架腿自升式平臺3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力組合構(gòu)件組合構(gòu)件上的波浪力計算可以對各子構(gòu)件按照各自的尺寸和方向計算法向流體速度和加速度，計算阻力系數(shù)和慣性力系數(shù)，從而計算波浪力，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，對實際結(jié)構(gòu)，必須對多個波浪周期，多個波浪方向和相位的總波浪力進行分析對比，才能得到最危險狀態(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按排或列布置的構(gòu)件之間會產(chǎn)生相互作用，在平臺設(shè)計中，應考慮構(gòu)件的遮擋作用和相互干擾作用。前排樁對后一排樁有遮擋作用，可以減輕波浪對后排樁的作用；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)。一般認為當l>=4D時，遮擋作用和干擾作用可不考慮;當l<4D時，應將波浪載荷乘以群樁系數(shù)K’。K’值應盡量由試驗確定，當試驗資料不足時，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線性波作用下的波浪荷載取決于波浪作用下水質(zhì)點的速度和加速度。線性波的條件為而對于海洋結(jié)構(gòu)物的極限設(shè)計海況，H/L一般在0.1的量級，為考查非線性的影響，對H/L=0.1的荷載計算結(jié)果進行分析，以得到定量概念。分別用線性波理論和stokes五階波理論進行波浪力的計算，結(jié)果表明采用五階波理論計算的波浪力比用線性波理論計算的波浪力大1.6倍，說明在大波陡的情況下必須用非線性波浪理論進行波浪力的計算。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計入構(gòu)件運動效應的波浪荷載Morison方程中的阻力項其中速度平方項可近似為則有3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的阻力項阻力項阻尼項其中Ca阻尼系數(shù)。構(gòu)件呈撓性，適當?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方程中的慣性力項單位長度圓柱上水作用的慣性力：單位長度圓柱運動引起的慣性力：單位長度圓柱運動水作用的慣性力：慣性力之和：3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的慣性力項慣性力之和：慣性力項附加水質(zhì)量慣性力項其中：3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的慣性力項慣性力之和：慣性力項附加水質(zhì)量慣性力象構(gòu)件運動帶有附加水，這部分水的慣性力有可能導致荷載增加。3.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力水平力=阻力項+阻尼項+慣性力項+附加質(zhì)量項水動力系數(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)范中對各項系數(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體的各種情形。把試驗結(jié)果用于實際設(shè)計時，必須極其小心。因為，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方法都有自身的規(guī)定，尚無普遍適用的具體準則。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．美國石油學會作用在構(gòu)件上的波浪力建議用Morison公式進行計算。典型的CM和CD值分別給定為1.5至2.0，以及0