大尺度柱状结构物波流荷载研究_聂锋.pdf

第3期水利水运工程学报No．3
2013年6月HYDRO-SCIENCEANDENGINEERINGJun．2013

大尺度柱状结构物波流荷载研究

聂锋1，2，潘军宁1，王晓敏1，王兴刚1
(1．南京水利科学研究院，江苏南京210029;2．河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098)

摘要:大型深水工程往往面临水深、浪大以及流急等复杂自然条件，将受到巨大的水平波流力，在工程设计中
需准确考虑波流力的大小．通过在波流水槽进行圆柱、方柱和矩形柱波流力系列试验，进行大尺度柱状结构物
波流荷载研究，同时建立数学模型，应用边界元法求解大尺度柱体上的波浪荷载，编写了Fortran程序计算波浪
力，运用柱体绕流理论计算水流力．对比分析试验结果和数值计算结果提出了波流力工程计算方法:对于深水
大尺度柱状结构物波流力可由波浪力线性迭加水流力再乘以1．04得到，计算中波浪要素采用水流影响下的要
素，水流力采用柱体绕流求得．按此方法计算波流力，并与物理模型试验结果进行对比，两者误差较小，满足工
程设计的精度要求．

关键词:大尺度;柱状结构物;波流力;势流理论
中图分类号:TV139．2+6文献标志码:A文章编号:1009－640X(2013)03－0065－06

随着我国经济的快速增长，海洋工程建设及海洋资源开发利用随之不断发展，需要建设越来越多的大尺
度深水结构物．所谓大尺度结构物是指其直径或特征尺度D与波长L的比值D/L＞0．2的结构物，大型深水
工程往往同时面临水深、浪大、流急等复杂自然条件，且结构物自身相当庞大和复杂，具有三维特性．如置于
海洋环境中的较大桥梁基础，在波浪和海流共同作用下，将受到强大的水平波流力，波流荷载成为桥梁基础
设计的控制荷载，在设计中需准确考虑波流力的大小．
在计算波浪对结构物作用时，不能忽略因结构物产生的波浪绕射作用．波浪与弱流对结构物的作
用［1－3］，可运用弱流假定，采用势流理论求解波浪力，摄动理论被广泛地应用于积分方程求解，波流作用问题
可分解为两个相对简单的问题:一是纯波浪对结构物的作用，二是水流对波浪问题的修正．对于发生紊乱的
强波强流对结构物的作用问题［4］，势流理论不再成立，目前只能通过物理模型试验测量波流．当前工程设计
中，如我国已建和在建的东海大桥、杭州湾跨海大桥及港珠澳大桥等大型桥梁工程［5－6］，主要通过物理模型
试验来确定桥梁基础波流力．
本文采用数值计算与物理模型相结合的方法对作用在大尺度柱状结构物上波流荷载进行研究．数值方
法中，采用边界元方法计算作用在结构物上波浪力，采用水流绕流理论方法计算结构物上水流力．在物理模
型试验中，对圆柱、方柱和矩形柱的波浪力、水流力和波流力分别进行了测量．最后，分析试验数据，提出建立
可供工程使用的强波、强流海区大尺度深水结构波流力的数值计算方法．

1数学模型建立

1．1波浪力
选定静水面为x－y平面，z轴垂直x－y平面且向上为正的笛卡尔坐标系(见图1)．假定流体理想、无旋
［］
不可压缩，运动是有势的，基于线性绕射理论7，波动场里任一点的总速度势Φ可表示为:

收稿日期:2012－12－25
作者简介:聂锋(1987－)，男，湖南常德人，硕士研究生，主要从事港口、海岸及近海工程研究．
E-mail:[e-mail]
66水利水运工程学报2013年6月

(，，，)［(，，)(，，)］()()
ΦxyzT=φIxyz+φSxyzeXp－iωT1
Hgchk(d+z)
入射势φ(x，y，z)为φ=eXp(ikrcosθ)(2)
II2ωchkd
式中:θ为入射波与x轴线的夹角．
根据边界元法的基本思想［8］，波动场中某一点q(x，y，z)所受到的扰
动势G(x，y，z;ξ，η，ζ)是由结构物湿表面S(x，y，z)=0上布置的各点源
M(ξ，η，ζ)引起的．若M(ξ，η，ζ)点的源强度为f(ξ，η，ζ)且在结构物表面
上的分布是连续的，故在波动场中某一点(，，)的绕射势(，，)
qxyzφSxyz
可认为是由结构物表面上所有点波源对q点所引起的源势之和，可表图1波浪与结构物作用示意图
示为Fig．1Waveactingonstructures
1
φ(x，y，z)=f(ξ，η，ζ)G(x，y，z;ξ，η，ζ)dS(3)
S4π
S
式中:(x，y，z)和(ξ，η，ζ)分别为计算点和变化点坐标，G(x，y，z;ξ，η，ζ)为格林函数;f(ξ，η，ζ)为结构物表面
上的源强度分布函数．
J.V.Wehausen等［9］给出了满足上述条件的格林函数的积分形式和级数形式．其中级数形式为:
2π(v2－k2)
G(x，y，z;ξ，η，ζ)=cosh［k(ξ+d)］cosh［k(z+d)］［Y(kr)－iJ(kr)］+
(k