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斜向和多向不规则波作用于直立堤上波浪力的概率分布和频域特性

张振平  
【摘要】:直立式防波堤是最常用的海工建筑物之一,作用于它的主要荷载是波浪力。传统的研究和工程规范多数为单向波正向击堤情况,对斜向不规则波特别是多向不规则波与直立堤相互作用的研究则开展的比较少。实际上天然海浪是多向不规则的,而且常斜向击堤,在堤前形成短峰波,可能产生比立波更大的单位堤长波浪力。处理不规则波与建筑物的相互作用主要有4种方法,即特征波法、概率分析法、谱分析法和模型试验法。随着以概率论为基础的可靠度设计和优化分析在海岸工程结构中的应用,不规则波浪力的概率分布成为研究重点。谱分析法是研究波浪力的频率构成和能量分布特性,并且常与概率分析法结合起来,以确定不同波力谱下不同累积率的波浪力。本文在物理模型试验的基础上,系统研究了斜向和多向不规则波波浪力的概率分布和频域特性。 本文的内容为国家自然科学基金资助项目(50079001)的部分成果,物理模型试验在大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室的综合水池中进行。试验采用Goda建议的JONSWAP谱来模拟不规则波浪,方向分布函数采用光易型分布。波浪入射方向或主方向的范围为0°~60°,方向分布宽度s分别取为10,40,∞(单向不规则波)。采用三种深水波陡:S_∞=0.02、0.03和0.04和三种波高H_s=0.06cm、0.09cm和0.12cm,水深d=0.45m。 通过试验结果分析,给出了作用在直立堤上的单位堤长波浪力的概率分布形式,讨论了波向角、波浪方向分布宽度(波浪多向性)、波陡及相对波高等因素对单位堤长波浪力概率分布参数的影响,给出了斜向和多向波作用于直立堤上单元堤长的总力统计分布规律。分析了斜向和多向不规则波作用于直立堤上波浪力的频域特性。为了判别线性系统和非线性系统之间的界限,计算了波面和单元堤长上的波浪力之间的相干数,并给出了波向角、波浪方向分布宽度(波浪多向性)、波陡等因素对相干数变化规律的影响;采用理论推导和试验分析相结合的方法,导得了斜向和多向不规则波作用于直立堤上波浪力的传递函数,给出了线性系统和非线性系统的界限,以及非线性系统的频域特性:研究了波力谱特征值和统计特征值之间的关系,以及波向角和波浪多向性对这种关系的影响。


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