考虑结构响应及轴线形状的防浪堤抗波浪冲击数值模拟研究

采用多物质ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法对核电站防浪堤受波浪冲击过程中挡浪墙表面波压力和结构响应规律进行研究。建立与物理模型1∶1的三维直型防浪堤-波浪耦合模型,通过与波浪理论公式和物理模型试验结果对比,验证该文采用的数值造波和耦合冲击方法的可行性。在此基础上建立与实际模型1∶1的三维直、弧型防浪堤-波浪耦合模型,分析了防浪堤结构刚度、断面尺寸以及防浪堤轴线形状对波浪冲击过程中波压力和结构响应的影响。结果表明:防浪堤前、后表面最大波压力分别出现在静水面位置和后墙底部;前墙和堤顶宽度对后墙具有保护作用;结构响应增强前墙波压力,但对后墙波压力有减弱作用;防浪堤轴线方向突变处波压力与结构应力较大。     

模拟浪溅区波浪冲击动态应变检测装置设计

为研究工程结构材料的动态力学性能和失效机理,提出一种模拟浪溅区波浪冲击动态力学性能检测的新方法,并针对该方法设计一种实现波浪冲击动态应变检测的自动化装置。以690 MPa高强钢试件为对象,使用该装置检测其在不同浪速、不同作用时间和不同冲击方向的波浪冲击作用下的动态应变,实验结果符合理论分析,证明该装置准确可靠,为研究波浪冲击动态应变作用机理提供一种新的实验方法。     

核电站防波堤地震动力响应及破坏机理分析

结合某核电站防波堤,应用动力弹塑性分析方法,考虑结构间的动态接触作用,分析了防波堤的地震响应特性和破坏机理。通过研究双向地震作用下结构的位移响应、残余变形及塑性剪切应变等,给出了地震过程中防波堤的破坏形式,说明了竖直向地震动输入对防波堤震后沉降影响显著,并重点分析了挡浪墙最大位移响应及震后残余变形。同时分析了地震动卓越频率、地震动峰值及护坡长度参数变化对防波堤地震响应的影响规律,研究结果为防波堤设计、安全评价和抗震措施研究提供了理论基础。     

水下爆炸载荷作用下加肋圆柱壳应变响应研究

采用加肋圆柱壳结构模型模拟潜艇结构,对其在水下爆炸冲击载荷作用下的响应过程进行试验研究。结果表明:采用应变测量的方法对结构进行模态分析是可行的;受附连水质量的影响,加肋圆柱壳结构的低阶湿模态频率较干模态频率显著下降;在爆炸载荷作用下,距离爆炸点越近结构承受的冲击作用越严重,越容易产生塑性破坏;应变的最大响应是冲击波载荷和一次脉动压力载荷共同作用的结果,第二次脉动压力对结构的动态应变响应贡献不明显。     

跨海桥梁高桩承台波浪冲击荷载概率模型

高桩承台是跨海桥梁常用的基础形式之一。但是高桩承台质量大、侧向刚度小,对波浪冲击荷载的水平分量十分敏感。在极端波浪作用下,高桩承台水平向的动力响应会明显大于静力方法算得的结构响应,严重威胁结构安全。传统波浪荷载计算方法无法充分考虑波浪冲击荷载的时变和随机特性。该文以跨海桥梁高桩承台为研究对象,开展了极端波浪冲击高桩承台尺缩模型的水槽试验。通过分析归一化后的波浪冲击荷载时程,建立了波浪冲击荷载时程模型;运用概率方法对波浪冲击荷载峰值与冲击上升段持续时间进行分析,给出了冲击荷载峰值和冲击上升段持续时间的边缘分布以及基于Copula的联合概率分布形式。     

护岸堤顶越浪计算

景观护岸通常在高潮大浪时将越浪量控制在一定范围内，以满足护岸结构安全、堤后冲刷破坏及景观等多方面要求。不同型式的护岸结构在不同的波浪作用下越浪量算法不同，且允许越浪标准也不同。结合不同型式建筑物越浪量控制标准，景观护岸堤顶高程的确定方法亦有所不同。本文综述已有斜坡堤与直立堤平均越浪量计算方法等研究成果，提出以控制允许平均越浪量来反算堤顶高程，优化部分景观护岸堤顶高程确定方法，为工程设计参考。     

中国南海岛礁护岸防波堤在波浪冲击作用下稳定性试验研究

南海对我国经济发展、资源开发与运输、维护国土完整具有战略性意义,目前我国已在南海海域以吹填方式建设了一系列的岛礁。为维护这些吹填岛礁的整体稳定性,在吹填体外围边缘修建了大量护岸防波堤,以避免海洋波浪的强力冲刷。岛礁护岸防波堤在极端风浪作用下的安全稳定性,是保证岛礁吹填体整体稳定的前提。以我国南海岛礁吹填工程为背景,采用大型物理水槽模型试验方法,研究南海岛礁护岸防波堤在设防极端风浪作用下的稳定性。研究表明:在设防极端风浪作用下,南海护岸防波堤的波浪冲击力可以达到50 kPa;防波堤的水平位移和沉降较小,地基发生较大位移变形的可能性低;钙质砂吹填土地基内由于土体的塑性体应变与越浪量造成了一定的孔隙压力累积上升,但并没有出现液化现象,稳定性基本能够得到保障;在设防的极端风浪作用下,现有的护岸防波堤设计可能造成越浪量过大,在没有扭王块消浪的情况下,海水越浪量可达到每延米195 m~3/h,会造成岛礁植被死亡,地下淡化水体被海水污染,延缓淡化水体的形成过程;采取放置扭王块措施可以有效减少海水越浪量,但也可以达到每延米56.3 m~3/h。南海岛礁护岸防波堤的防浪高度和防越浪能力需要引起关注。     

极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构流固耦合特性研究EI北大核心CSCD

跨海桥梁面临着海洋环境中极端波浪的巨大威胁,波浪-结构的耦合作用特性是跨海箱形桥梁上部结构的极端波浪设计中需考虑的关键问题。采用OpenFOAM程序基于有限体积法离散不可压缩流体的Naiver-Stokes方程,并结合SST k-ω湍流模型模拟极端波浪的生成、传播及冲击作用,以弹簧-质量-阻尼系统模拟箱梁上部结构运动体系,并基于动网格方法构建极端波浪与箱梁上部结构相互作用的多相流耦合模型。通过与模型水槽试验结果和已有文献的仿真结果的对比验证该耦合模型的有效性,随后利用该耦合模型探究了波浪参数、结构特性及约束刚度等参数对箱形桥梁上部结构波浪荷载、动力特性及支座力的影响规律。结果表明:结构与流体的耦合效应导致箱形桥梁上部结构所受波浪荷载的波动增大和极值减小,其中水平波浪力最大降低28%,竖向波浪力最大降低22.5%,考虑流固耦合能更为合理地反映极端波浪作用下跨海箱形桥梁上部结构的实际波浪荷载;随着结构自振周期的增大,箱形桥梁上部结构所受的水平弹簧约束刚度下降,进而导致箱形桥梁上部结构的水平位移增大;在跨海桥梁上部结构的支座设计中不仅需要考虑上部结构所受波浪荷载,还应考虑结构运动及流固耦合效应对支座力的影响。     

水下和空中爆炸时混凝土重力坝动态响应对比分析

由于水和空气的物理属性差异以及与爆炸产物的界面作用效应不同,使得水下和空中爆炸冲击波传播特性及其荷载作用下的大坝结构动态响应存在较大的差异。通过构建混凝土重力坝水下爆炸和空中爆炸的全耦合数值仿真模型,考虑炸药起爆、冲击波传播、冲击波与结构的相互作用以及结构的动态响应等复杂过程,在对比分析爆炸冲击波在水下和空中传播特性的基础上研究了水下和空中爆炸冲击波对大坝动态响应及损伤程度的影响。研究表明,水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝动态响应及损伤程度均较同等炸药量下空中爆炸冲击荷载作用时大;在研究水工大坝抗爆性能时,应重点关注水下爆炸冲击波传播的特性及大坝在水下爆炸荷载作用下的动态响应。     

地震和波浪联合作用下斜拉桥随机动力分析方法

分别采用Morison方程、辐射波浪理论和绕射波浪理论求解桩基、承台所受动水压力和波浪力,考虑行波效应、空间相干效应和局部场地效应,基于虚拟激励法,建立了多维多点地震和波浪联合作用下斜拉桥随机动力分析方法。采用蒙特卡罗法计算了考虑、不考虑荷载非线性时的结构响应,通过比较计算结果验证了所建立方法的适用性;分析动水压力和波浪力对斜拉桥随机地震响应均方根的影响,研究了斜拉桥随机响应功率谱密度分布趋势和变化规律。结果表明:该方法可以考虑荷载随机性,计算多维多点地震和波浪联合作用下斜拉桥响应;动水压力刚性附加质量是导致斜拉桥水下结构纵向内力增大的原因;动水压力和波浪力对桥塔水下结构地震响应的影响随场地条件改变,地震输入能量分布在高频域时,动水压力和波浪力对桥塔水下结构影响更大。     

直立堤上任意方向入射波的波压力研究

为了研究在不同入射波向时直立堤上的波压力,基于FLOW-3D,该文建立了三维数值波浪水池,并进行了物理模型试验。模型采用推板造波及孔隙消波的方法形成稳定的波浪场,数值模拟结果与试验结果吻合较好。研究表明:墙面测点的波压力与波吸力均随入射角度的增大而增大;墙底各测点浮托力的变化规律较为复杂,合田公式不能准确描述;墙面波压力的分布与合田公式基本相符;墙底浮托力的分布并不是合田公式描述的三角形,而是近似梯形分布;斜向波作用下的墙面波吸力分布图相似于正向入射时的分布。研究结论可为防波堤设计提供参考依据。     

流-固耦合作用下斜坡式防波堤地震动力响应分析

针对地震过程中海水-防波堤-地基的耦合效应,结合某沿海斜坡式防波堤,建立了海水-防波堤-地基系统有限元模型,应用任意拉格朗日欧拉方法以及显式动态有限元方法,对真实地震过程中的防波堤系统动力响应进行了仿真,给出了流-固耦合作用下,不同地震激励的防波堤残余变形以及地震过程中的动水压力时程。研究结果表明:考虑流-固耦合作用对防波堤残余变形响应有较显著影响,且水平向残余变形受影响程度大于竖直向残余变形;地震过程中的动水压力主要受海水主频以及地震激励卓越频率的影响。研究结果可为防波堤设计、安全评价和抗震措施研究提供了理论基础。     

潜堤上孤立波传播的格子Boltzmann法数值模拟

基于格子Boltzmann法建立求解不可压缩的Navier-Stokes方程的数学模型,对孤立波与矩形潜堤和半圆形潜堤的相互作用过程进行了研究。通过建立二维数值水槽,采用Rayleigh推板造波,模拟了孤立波越过潜堤的过程。通过模拟速度场和自由表面,证明该模型能很好地模拟流动的分离和涡流的产生,结果与已有实验数据吻合。研究表明该模型能够模拟孤立波与潜堤相互作用中的水流分离、涡流产生、波浪破碎和传播等非线性现象。所得结论对于潜堤工程设计具有参考价值。     

防波堤帷幕尺度对波浪力和消浪性能的影响研究

帷幕式防波堤下部透水,利于港内外的海水交换,防止水质恶化,维持原始水域生态平衡,因此模拟波浪与防波堤的相互作用具有重要的现实意义。该文基于高阶紧致插值CIP(Constrained Interpolation Profile)方法的二维波浪数值模型水槽,通过与文献结果进行比较,结果表明：该文数值模型能够有效地模拟孤立波在冲击帷幕式防波堤过程中的波浪破碎等强非线性现象。通过数值模拟,描述了帷幕式防波堤在不同的宽度和浸没深度情况下与孤立波之间的相互作用中流速和涡度的演变过程,并讨论了孤立波波高和帷幕式防波堤结构尺寸对反射、透射、耗散系数以及在帷幕式防波堤上冲击力的影响。研究表明：帷幕式防波堤的相对浸没深度越大时,消浪效果良好,同时帷幕式防波堤的相对宽度对消浪效果的影响较大。     

瓦斯爆炸冲击作用下新型复合结构防护外壳的动态响应

为了降低和防止瓦斯爆炸冲击波对矿难救生系统的破坏,提高防爆抗冲击能力,提出新型复合结构防护外壳。运用有限元数值分析方法,对新型复合结构防护外壳在瓦斯爆炸冲击波作用下的动态响应进行研讨。分析冲击波作用下新型防护外壳的变形、应力和应变,并与单层防护外壳的动态响应进行了对比。结果表明: 采用中间柔性材料缓冲层的新型复合防护结构,能够延缓瓦斯爆炸冲击波对矿难救生系统的冲击作用,保护系统内部模块不受严重破坏,制造工艺简单且成本低。运用数值分析的方法,可以为救生系统设计建立一个仿真的实验环境,为优化救生系统设计、提高设计效率提供参考数据。     

防波堤稳定性的滑移控制

提出了利用防波堤的滑移控制防波堤对破碎波动力响应的概念,建立了破碎波—防波堤—地基相互作用的振动—滑移运动分析模型,对破碎波冲击作用下防波堤的振动—滑移运动过程进行了模拟,并对滑移控制防波堤的滑移力和倾覆力矩的效果进行了分析。     

电锤冲击系统的波动力学研究

电锤是一种利用撞击来产生、传递能量的机械。首先基于电锤的结构特点和波动力学理论,建立电锤三元冲击系统动力学模型;然后应用透反射关系原理,提出电锤冲击系统动力学数值模拟计算方法,最后以某型号电锤为例,进行冲击系统动力学数值仿真分析和试验验证,结果表明数值仿真分析与试验测试结果基本吻合。这为电锤冲击系统的动力学分析、结构设计及优化提供理论基础和方法。     

基于标准化水平残余位移的沉入式钢圆筒防波堤抗震性能研究

根据国际航运协会《港口结构抗震设计指南》、日本港口结构震害调查结果和钢圆筒结构特点,将标准化水平残余位移作为沉入式钢圆筒防波堤的抗震性能指标,同时运用振动台试验和数值模拟研究了回填砂地基防波堤的动力特性,并评估了防波堤的抗震性能。结果表明,当设计地震动为1.7 m/s2时回填砂地基防波堤处于可服役状态,设计地震动为3.2 m/s2时防波堤处于可修复状态,不满足防波堤性能等级为S的要求,建议在设计中考虑远场地震和近场地震对防波堤抗震性能的影响。振动台试验研究发现当地震波加速度峰值为3.2 m/s2时筒外回填砂由于液化导致其对防波堤的侧向力改变,防波堤试验模型发生明显的倾斜现象,建议在地基加固设计过程中重点考虑筒外回填砂。当地震波加速度峰值为1.7 m/s2和3.2 m/s2时,钢圆筒筒壁应力最大值随高度的增加均呈现减小的趋势,同时钢圆筒防波堤存在两处薄弱环节,分别位于筒底及泥面处,因此结构设计时应优先考虑。     

3D models for wave-induced pore pressures near breakwater heads

Wave-induced pore pressure is one of the important factors in the analysis of foundation stability around coastal structures. Existing models for the wave-induced seabed response around breakwater heads have been limited to poro-elastic soil behavior and de-coupled oscillatory and residual mechanisms for the rise in excess pore water pressure. To overcome the shortcoming of the existing models, in this study a new three-dimensional poro-elastoplastic model is established, in which both oscillatory and residual mechanisms can be simulated simultaneously. The reduced cases of the proposed model are verified with existing 2D experimental data available and a 3D poro-elastic analytical solution in front of a breakwater. With the proposed new model, a parametric study is conducted to investigate the relative differences of the predictions of the wave-induced pore pressure and liquefaction with poro-elastic and poro-elasto-plastic models. Based on numerical examples, it can be concluded that relative differences between elastic and elasto-plastic models are significantly affected by wave periods and water depths. Wave height significantly affects the development of residual pore pressure versus time. Plastic soil behavior plays an important role in a seabed of low permeability. Plastic soil behavior has more significant influence on wave-induced residual pore pressure than the amplitude of the oscillating pore pressure. Furthermore, poro-elastic analysis tends to under-estimate the size of the liquefaction regions around breakwater heads.