多向不规则波浪作用下群墩结构所受波浪力的实验研究

实际海域中波浪是多向不规则的,波浪的方向分布宽度对作用在结构物上的波浪力具有显著的影响。为了研究方向分布对大尺度群墩结构所受波浪力的影响规律,该文通过物理模型实验模拟了多向不规则波浪与群墩结构的相互作用。通过对波浪荷载的时间过程线进行统计分析得到了作用在墩柱上的正向力、横向力。实验结果表明波浪的方向分布对群墩结构中墩柱所受横向力具有明显的影响。多向波浪作用时,墩柱所受横向力随着方向分布宽度的增大有显著的增大趋势,且后排墩柱受方向分布宽度的影响较前排墩柱更明显。     

不同二阶绕射波浪力理论公式的结果互比

该文研究了一种简单快速回转体的二阶波浪力计算方法,并给出了直立圆柱和截断圆柱的二阶波浪力的计算结果,将所得计算结果与其它3种不同的理论公式的结果进行了对比,验证了该文计算方法的正确性。因该文方法不涉及自由表面上无穷积分,表达式简单、计算速度快,所以更适合快速计算二阶速度势所引起的二阶波浪力。     

超大型结构物受波浪力作用的数值模拟

为了计算波浪效应下超大型结构物所受的波浪力,该文运用σ坐标变换来追踪随时间变化的自由液面,添加了浸没边界法(IBM)来处理不规则结构物表面,建立了基于大涡模拟(LES)方法的三维数值模型。为验证该数值模型的正确定,运用该模型来模拟规则波作用下大直径垂直圆柱的绕射问题,圆柱周围的波浪爬高数值解与解析解吻合良好。运用该三维数值模型,模拟了波浪与南京长江三桥南塔钢套箱相互作用的问题,数值计算出的结构物所受的波浪力与试验数据吻合良好,表明该数值模型能够很好地模拟工程中三维波浪与超大型结构物相互作用的问题。     

近场爆炸时混凝土桥墩的动力响应分析

为研究爆炸荷载作用时混凝土桥墩的动力响应,基于爆炸基本理论,开展近爆作用下混凝土桥墩的数值模拟与破坏模式研究,并通过方柱墩与圆柱墩对比、墩柱配筋方式与爆心位置变化等分析墩柱底部的水平位移和水平速度时程变化,进而研究墩柱的抗爆性能与破坏形态。研究结果表明:同等条件下圆形墩柱的抗爆能力要优于方形墩柱;爆炸荷载作用下墩柱纵向主筋的配置可改变墩柱的破坏形态,且墩柱底部的抗剪能力主要靠纵向主筋提供,箍筋的抗爆作用有限;近场爆炸时地基对墩柱底部的约束作用明显,进行墩柱抗爆设计时,可以结合基于性能的抗震理论实现墩柱底部的塑性铰设计。     

独柱墩-自浮式防船撞装置波浪荷载研究

针对独柱墩-自浮式防船撞装置耦合体系,开展室内波浪力试验并总结相关规律,利用试验结果验证校准AQWA数值模型。根据结构所受波浪压强的分布情况,利用Morison公式提取相应的荷载并得到结构水动力系数。考虑波浪高度、波浪周期、防撞装置断面形式和大小、防撞装置自浮比等影响因素,计算结构惯性力系数和接触力系数与相关因素的定量关系。研究表明:自浮式防撞装置起伏运动产生辐射波浪,使墩柱波压强数值偏大但不改变总体分布趋势。结构间接触力随机变化,可把结构接触力与墩柱波浪力之间的比值定义为接触力系数。计算得耦合体系中墩柱的惯性力系数达到2.175左右,防撞装置的惯性力系数达到2.125左右,接触力系数达到1.340左右。     

平缓岸坡上波浪谱的变形及破碎

文章通过理论分析和实验研究,讨论了平缓岸坡条件下不规则波的破碎指标、波浪谱变形与破碎特点及其计算方法和不再发生破碎的岸坡条件,并与物模实验结果和现场观测结果进行比较,结果吻合较好。     

孤立波作用下圆柱桩波浪力计算方法研究EI北大核心CSCD

为研究孤立波作用下跨海桥梁桥墩受到的波浪荷载以得到孤立波波浪力的简化计算方法,利用计算流体力学软件OpenFOAM模拟海洋孤立波,在不同来流波高和初始水深下,开展了2组仿真试验,三维数值模拟用于直接计算圆柱体上的波浪力,二维数值模拟用于推导Morison方程所需的速度场。对比现有文献,讨论原始Morison方程应用于孤立波波浪力计算的适用性以及孤立波非线性的变化规律,并验证了引入非线性项的修正Morison方程预测孤立波荷载的适用性。研究结果表明:在计算孤立波荷载时,非线性影响不可忽视,随着波高和水深的比值H/d的增大,孤立波的非线性越来越强;相比原始Morison方程,考虑非线性影响的修正Morison方程可以更准确地预测孤立波与圆柱桩间的相互作用;应用修正Morison方程进行孤立波荷载预测时,波浪力参数C D,C M的取值与波高H、水深d、圆柱桩直径D的绝对值无关,仅与H/d有关;基于多组仿真试验结果,给出了0.15≤H/d≤0.65内波浪力参数的取值,可为孤立波荷载的快速计算提供参考。     

各柱做不同辐射运动时截头圆柱群的水动力分析

截头圆柱群是许多海洋浮式结构的主要组成部分。目前对这种圆柱群进行的水动力分析大多考虑将其作为一个整体,此时各柱间无相对位置变化,这并不适用于柱间有相对运动的情况。为此,采用特征展开法研究各柱做不同辐射运动时截头直立圆柱群的水动力相互作用。开展了截头圆柱群中各柱做不同幅值纵荡、横荡和垂荡运动时的波浪辐射分析,并求得流场速度势。在进行算例考核之后,进一步计算了多个圆柱同时做不同模态、不同幅值运动时截头柱群的水动力、压力分布等量,并对结果进行了分析。     

基于贝叶斯更新的深水桥墩波浪动力响应概率模型

海洋环境中的深水桥墩长期受到不规则随机波浪动力作用。传统设计规范中采用的特征波浪计算方法,虽然简单高效,但是无法充分考虑波浪随机性和动力效应对结构的影响。该文以深水桥墩在波浪作用下的动力响应与静力响应之间的概率关系为研究对象,应用贝叶斯更新理论建立简单有效的深水桥墩波浪动力响应概率模型。通过对比深水桥墩动力时程分析结果,验证模型的有效性,并对样本数量和模型形式进行讨论。研究表明:基于贝叶斯更新理论的深水桥墩波浪动力响应概率模型可以快速准确地计算波浪作用下深水桥墩的动力响应,能够有效修正传统静力方法存在的偏差,并可在样本数据非常有限的情况下对深水桥墩的动力响应进行较好估计。     

基于拓扑网格方法的多钝体流致振动分析

多钝体流致振动是一个较为复杂的流固耦合过程,普遍存在于自然界和工程领域。为了减小高幅振动时网格变形引起的计算误差,基于非定常Navier-Stokes方程对二维双圆柱和三圆柱、三维双圆柱流致振动进行数值求解,采用耦合界面结合拓扑网格变形技术,实现流体与多个运动钝体之间的耦合计算。将数值结果与实验进行比较分析,验证了该数值方法是处理高振幅多钝体流致振动的有效方法。研究结果表明上游圆柱的存在对下游圆柱流致振动和旋涡形成产生明显影响。串列双圆柱流致振动振幅和频率响应与实验测试趋势一致,清晰观察到了涡致振动初始分支和上部分支;并且当Re8×10~4时,圆柱流致振动由涡致振动向驰振过渡。圆柱尾涡形态随流致振动分支切换发生变化,当驰振发生时,下游圆柱的尾涡形态受上游圆柱影响难以捕捉。随着双圆柱间距增大,低Re时下游圆柱受到上游圆柱的抑制作用减弱。三维多柱体流致振动计算结果更接近实验值,如何提高三维数值计算速度将是下一步研究工作的重点。     

充液及内空圆柱壳在爆炸荷载下动力屈曲特性研究

采用实验与数值模拟相结合方法,对充液及内空圆柱壳在爆炸载荷下动力屈曲响应特性进行对比研究。将壁厚δ=2.0 mm、外径Φ=100 mm钢圆柱壳（内空及充水）置于75gTNT药柱、200gTNT药柱产生的爆炸场中进行冲击实验,获得不同工况下圆柱壳变形破坏模式。利用动力有限元程序LS-DYNA及Lagrangian-Eulerian流固耦合方法进行数值计算,分析壳壁屈曲变形过程及壳壁关键点速度、水介质内压力等动态参数。计算结果与实验结果一致性较好。研究表明,由于内充水介质的近似不可压缩性,承受冲击荷载时内压增大,因而参与对外界爆炸冲击载荷抗力作用,圆柱壳抗爆能力显著提高。     

预应力连接预制节段桥墩拟静力试验数值仿真分析

预应力连接预制节段桥墩已在美国低震区桥梁中得到较多应用,但在我国的工程应用甚少。由于预制节段桥墩的震害资料缺乏,震害经验不足,且其抗震机理不明确、设计方法不完善,在强震区较少应用。该文基于预应力连接预制节段墩柱缩尺模型的拟静力往复试验测试,采用有限元分析软件ABAQUS建立其精细化数值模型,进行了单向、斜向往复荷载作用下墩柱拟静力试验数值仿真,将桥墩的损伤特征、滞回行为、墩内竖向预应力和预制节段间接缝开口量与试验测试结果进行了对比分析。结果表明：该文建立的预制节段桥墩数值模型可较好地再现拟静力试验结果,试验和模拟结果均表明斜向加载的预制节段墩柱较单向加载的构件损伤更为严重,构件屈服更早,残余位移较大,墩柱最大偏移率达4%时其残余偏移率已超过1%。常规设计中桥墩按纵桥向或横桥向单向抗震设计偏于不保守,特别是考虑震后功能可恢复或可修复时建议考虑多向地震作用影响。     

计及静水压力影响的加筋圆柱壳塑性损伤程度预报

针对潜艇在水下爆炸载荷作用下各部位受损程度不同,选局部典型舱段结构将其简化成两端刚固的理想刚塑性加筋圆柱壳动力学模型。用动量守恒原理忽略圆柱壳轴向力作用,获得新型快速计及静水压力作用的加筋圆柱壳典型舱段典型位置塑性大变形理论计算方法。将理论计算结果与有限元仿真及试验结果进行对比,证明此动力学模型能对计及静水压力时不同冲击波作用下的加筋圆柱壳结构动塑性损伤程度进行预报。     

基于有限元与边界元耦合法的波浪力分析

利用有限元与边界元耦合法对三维无界区域中直立圆柱所受的波浪力进行进行计算,把整个求解区域分成内域或外域两部分,在内域采用有限元法,对外域采用边界元法,数值计算的结果与理论解吻合良好,表明该方法有效。     

柱间有相对运动坐底圆柱群的绕射辐射分析

圆柱群是深海海工建筑物的主要承力结构.目前对圆柱群进行的水动力分析大多考虑将圆柱群作为一个整体的情况,即柱群中各柱无相对运动;对于柱间有相对运动圆柱群的研究较少.为此,采用精确代数法研究柱间有相对运动坐底直立圆柱群的绕射-辐射问题.首先开展了柱群中各圆柱做给定单独运动的辐射分析;之后在有入射波浪的情况下,分析了各柱有相对运动圆柱群的绕射-辐射问题;进而求得各圆柱上的水动力、振动幅值等量.作为验证,先将退化情况的结果与已有文献进行了对比.进一步的计算结果表明,在某些波数下,分析中是否考虑柱间相对运动对结果影响较大.     

波浪在潜堤上传播的非线性参数分析

利用完全非线性Boussinesq方程数值模型,通过与不规则波浪理论谱、物理模型实验进行了对比验证,证明了该模型模拟不规则波浪的有效性。应用该模型研究了不规则波浪在缓坡潜堤上传播时,波浪非线性参数的变化。波浪在经过缓坡潜堤过程中,波浪的不对称度有一个由负变正的过程,并且最小值出现在堤顶前部区域,最大值出现在堤顶后部区域。波浪的偏度在变浅区逐渐增大,在堤顶中部区域达到最大值,之后偏度在反变浅区逐渐减小到零附近。极值出现的位置可能是潜堤受波浪冲刷破坏比较严重的位置。基于几个典型位置波面过程线的波形变化及其波浪谱变化分析了这些参数变化的原因。分析了变浅区、反变浅区、堤顶区三个区域不对称度和偏度随Ursell数的变化关系,并给出了变浅区和反变浅区波浪的不对称度和偏度与Ursell数之间的经验公式,并与相关研究进行了对比。     

罕遇地震下曲线钢-混凝土组合梁桥的墩柱扭转效应

为了研究曲线钢-混凝土组合梁桥在罕遇地震下的墩柱扭转效应,基于考虑扭转效应的钢管混凝土纤维梁模型,建立了曲线组合梁桥的杆系有限元分析模型。对不同输入方向的三条地震波作用下是否考虑墩柱扭转效应的纤维梁模型的计算结果进行了对比,包括墩顶位移、墩柱扭转角和墩柱内力等。在此基础上,对曲线组合梁桥在罕遇地震作用下的扭转效应的关键影响参数进行了分析。结果表明:采用考虑扭转效应的纤维梁模型分析曲线组合梁桥在地震作用下的受力反应,可有效的反映罕遇地震下曲线钢-混凝土组合梁桥的墩柱扭转效应。另外,曲率半径和墩高是影响曲线组合梁桥在纵向地震作用下墩柱扭转效应的主要因素。     

水下爆炸载荷作用下受损加肋圆柱壳的剩余屈曲强度计算

研究了在水下爆炸载荷作用下受损的加肋圆柱壳的屈曲．结合DYTRAN软件和NASTRAN软件计算了水下爆炸栽荷作用下受损的加肋圆柱壳的剩余屈曲强度，并且提出了一种结合上述两种软件计算加肋圆柱壳的剩余屈曲强度的方法．数值计算表明，预测结果与实验结果吻合较好．     

求解三维物体波浪荷载的边界元模型

建立了求解规则波中任意形状三维物体绕射问题的边界元模型。设置辐射面将流场分为内、外场,外场中的绕射势用特征函数展开式解析表达,内场则由边界积分方程求解,所取的Green 函数为简单的1/r 形式。内场边界采用四边形面元和轴对称面元混合布置的划分方式,轴对称面元上奇点强度沿周向为Fourier 级数展开的高次分布,提高了求解三维绕射问题的精度和效率。经与直立圆柱绕射的线性理论解比较,验证了数值方法的可靠性。利用谱分析原理,将规则波中的结果拓展,得到多向不规则波中绕射物体所受波浪力的统计特性。     

抛石防波堤堤内波浪运动的数值模拟

将抛石防波堤认为离散介质结构,根据抛石防波堤内块体随机堆放的特点生成断面,对块体间的孔隙域划分网格。基于二维粘性不可压缩流体的N-S方程和流体自由表面处理的VOF方法,建立了波浪作用下堤身内部和前后流场的有限元数值模拟模型,对堤内的波浪运动进行了数值模拟。数值计算结果与波浪水槽模型实验结果基本吻合。对不同孔隙率和块体粒径的抛石堤计算结果表明,抛石堤内的波浪场受到很多参数的影响,孔隙率越大波长越长透射系数也越大,块体上的受力随着防波堤孔隙率以及块体平均半径的增加而减小。