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潜式沉箱—群桩—平台型复合结构水动力特性研究

郭传胜  
【摘要】:随着深水开敞式码头的建设,码头前的水深越来越深,海况越来越恶劣,纯重力式码头暴露出造价高,受力大,对地基要求高的缺点。为适应深水波浪条件,近年来提出了一种由下部沉箱,中部桩柱和上部码头结构构成的新型结构——潜式沉箱-群桩-平台型复合结构。该结构充分利用波能集中分布在水体表层的特性,利用群桩替代部分沉箱,减少结构受到的水平波浪力,同时又能利用箱体自重保持稳定。可以预见,该结构将成为一种适用于深水开敞式码头建设的新型水工结构而得到越来越多的应用。目前该复合结构在海洋水动力作用下的受力机理及相关荷载计算方面的研究甚少,因此,开展复合结构水动力特性研究,有着重要的科学意义和工程应用价值。 本文从物理模型试验和数值模拟两方面出发,对潜式沉箱-群桩-平台型复合结构的受力特性进行了研究。 物理试验方面,开展了规则波和不规则波作用下复合结构上波浪力的试验研究。首先通过点压力试验对潜式沉箱-群桩-平台型复合结构受到的波浪压力进行系统研究,在时域范围内分析了结构物不同位置的压强特点,并对整个结构最大压力的空间分布进行探讨,给出了不同位置压强与相对波高(H/S1)的关系;其次基于模型试验结果,给出了规则波和不规则波作用下潜式沉箱-群桩-平台型复合结构所受到的三维波浪力,研究了正向波浪总力和垂向波浪总力与各影响因素之间的关系。根据试验结果总结出正向力与垂向力的计算公式,分析了复合结构各部分受力与净空高度(S1/H)的变化规律,从而为复合结构设计及应用提供参考。 数值模拟方面,基于雷诺时均的Navier-Stokes方程、渗透介质理论和流体体积方法(Volume of Fluid Method, VOF)建立了三维数值模型,对波浪与复合结构之间的相互作用进行了数值模拟。由于考虑了沉箱底部浮托力,使得计算结果更加精确,采用本模型计算得到的复合结构波浪总力和模型试验结果吻合良好。文中采用数值模型对复合结构各组成部分的受力特性进行研究,对比了同类型结构在非复合结构影响下的受力,提出了各组成部分的波浪力简化计算方法。结合物理模型试验结果对复合结构整体的受力特性进行研究,给出了无因次波高的空间分布和复合结构表面的最大压强分布。研究了相对沉箱长度、相对波高和相对沉箱高度对水平波浪总力的影响。结果表明,水平波浪力在A1/L=0.19时达到峰值,且与相对波高和相对沉箱高度存在线性递增的关系。通过算例和试验数据进行对比,说明本文的数值模型是研究波浪与结构物相互作用的有效工具。 最后,在总结复合结构的受力特性的基础上,对结构的尺寸进行优化,提出了复合结构上波浪总力和码头面顶高程的计算方法。


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