跨海大橋深水橋墩波浪效應(yīng)研究.pdf

1、跨海大橋中水下墩柱結(jié)構(gòu)由于所處環(huán)境的復(fù)雜性，雖然剛度比較大，但是在波浪、波流、地震以及颶風(fēng)等海上動(dòng)力荷載作用下容易產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)，長(zhǎng)期頻繁的作用會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)引起疲勞損傷甚至破壞。因此，對(duì)水下墩柱結(jié)構(gòu)受到波浪和水流等海洋環(huán)境荷載作用下的研究就顯得十分重要，對(duì)水下墩柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)乃至建成后的安全運(yùn)營(yíng)都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文從跨海大橋橋墩所處環(huán)境的特殊性出發(fā)，首先基于波浪理論和波浪力的計(jì)算方法，對(duì)不同尺寸和形狀的墩柱的波浪力計(jì)算

2、方法進(jìn)行了比較，然后運(yùn)用驗(yàn)證過(guò)的CDF數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)不同形式的墩柱以及不同參數(shù)的波浪分別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并進(jìn)行了規(guī)律性的總結(jié)，最后分別模擬了均勻流和波流聯(lián)合對(duì)圓形墩柱的作用并對(duì)墩柱的響應(yīng)進(jìn)行了分析，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.論文在分析了該課題的研究背景和現(xiàn)實(shí)意義的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)外波浪和波流對(duì)結(jié)構(gòu)作用的相關(guān)理論以及在波浪和波流共同作用下對(duì)水中墩式結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的相關(guān)研究進(jìn)行了歸納和總結(jié)，并針對(duì)不同尺寸和不同形狀的墩柱所采用的波浪力

3、計(jì)算方法進(jìn)行了比較。
　　2.提出了基于CFD的墩柱波浪力數(shù)值計(jì)算方法，為驗(yàn)證CFD計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，分別把CFD對(duì)于小直徑墩柱的計(jì)算結(jié)果與莫里森公式的解析解進(jìn)行了對(duì)比。在實(shí)驗(yàn)條件缺乏的前提下，利用現(xiàn)有文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)跟CFD數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)驗(yàn)證數(shù)值求解方法的準(zhǔn)確性。
　　3.用CFD數(shù)值計(jì)算法對(duì)作用于不同形狀的大尺寸墩柱上的波浪力進(jìn)行了計(jì)算分析，首先在模型網(wǎng)格劃分時(shí)，以4m圓形墩柱模型為例，通過(guò)加密計(jì)算

4、域的網(wǎng)格進(jìn)行波浪力的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)格的變化對(duì)于計(jì)算結(jié)果精度的影響，通過(guò)觀察數(shù)值計(jì)算后的波浪力時(shí)程圖，得到了墩柱上波浪力跟波浪周期之間的變化規(guī)律;然后，通過(guò)改變模型的形狀，以4m×4m的方形墩柱來(lái)進(jìn)行波浪力的計(jì)算并與圓形墩柱進(jìn)行對(duì)比得出波浪力的變化規(guī)律;接下來(lái)，通過(guò)改變波長(zhǎng)和波高兩個(gè)波浪參數(shù)分別來(lái)分析兩個(gè)參數(shù)變化后波浪力的變化規(guī)律并得到其對(duì)波浪力大小的影響程度;再次，為了研究波浪力在墩柱垂直方向的分布規(guī)律，分別求出墩柱上不同位

5、置上的波浪力繪成變化圖，并分析得到波浪力在墩柱垂直方向上的分布規(guī)律;最后，通過(guò)計(jì)算出來(lái)的波浪力來(lái)進(jìn)行不同墩柱上的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析。
　　4.分析了均勻水流作用下的圓形墩柱繞流及渦激振動(dòng)，研究了波浪與大尺度圓形墩柱作用產(chǎn)生的繞射、反射現(xiàn)象;基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，分別對(duì)大圓形墩柱采用二維數(shù)值模擬和三維數(shù)值模擬的方法，對(duì)在一定流速下圓形墩柱中間深度平面上的繞流流場(chǎng)的壓力分布和速度分布進(jìn)行了分析;對(duì)水流作用下圓形墩柱尾流區(qū)渦旋發(fā)展的一個(gè)

6、周期的過(guò)程進(jìn)行了描述，探討了均勻水流作用下水中墩柱結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律;最后通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出了均勻水流對(duì)圓形墩柱作用力值以及在墩柱上的分布規(guī)律。
　　5.對(duì)圓形墩柱在波浪和均勻水流的聯(lián)合作用下的流場(chǎng)變化特點(diǎn)進(jìn)行了研究，首先探討了波流聯(lián)合作用的方法和機(jī)理;然后對(duì)波流聯(lián)合作用下圓形墩柱不同深度上的繞流流場(chǎng)的壓力分布和速度分布進(jìn)行比較分析;最后通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了波流聯(lián)合作用的最大波流力，并與波浪和水流分別作用的最大波浪力疊加值大小進(jìn)行比較、