波浪—流联合作用下结构—海床耦合系统的动力响应分析

发布时间：2020-08-28 19:44

　　波浪-流联合作用下结构的响应分析是海工结构研究的重要课题。海工结构在波流作用下的倒塌往往与海床地基失效有关,因此,在波浪-流外荷载作用下考虑饱和海床-结构动力相互作用十分必要。本文主要实现了一种波浪-流联合作用下饱和海床-结构相互作用的分析方法。具体工作如下:(1)基于有限体积方法采用Fluent流体计算软件对二维波浪-流传播进行了模拟分析。构造二维数值水槽模型,入口处采用UDF自编函数进行速度造波,气液相边界采用VOF方法进行追踪,在出口区设置源项函数进行消波。对微幅波和有限振幅波进行模拟计算,提取波浪、波浪+顺流和波浪+逆流三种工况下入口处和出口区的液面高度与解析解对比,验证了二维波浪-流的造波可行性和准确性。(2)在二维波流数值模拟的基础上,进一步讨论了三维波流数值模拟技术,为海工结构分析提供波流荷载。基于平板物理水槽实验,对其进行三维数值水槽建模分析,计算流体对平板底部的浮托力,并与水槽实验结果对比,初步验证了三维水槽造波的可行性。进一步采用某跨海桥梁模型主墩区结构进行波浪-流荷载模拟分析,计算了不同潮差条件(即地表有、无冲刷)下不同水位高度(即常遇水位和百年一遇水位)时桥墩结构的浮托力和桩水平力等,与物理水槽实验数据进行对比,验证了三维波流数值模拟的有效性。(3)采用Biot多孔介质模型,通过集中质量显式有限元结合多次透射人工边界分析了三维波浪-流荷载作用下饱和海床的动力响应。分别考虑饱和土为线性和非线性两种情形,利用“扩展Masing”法则修正下的Davidenkov骨架曲线模型来描述饱和土骨架非线性,分析了不同波浪-流工况下饱和海床的响应。(4)通过自编FORTRAN程序实现波浪-流联合作用下三维饱和海床-结构相互作用的整体分析,并对某实际跨海桥梁进行了分析。采用集中质量显式有限元方法结合多次透射边界进行饱和海床模拟,采用隐式时步积分方法进行上部结构分析,两者可采用不同时间步距,通过基础对土体和结构进行耦合。对某实际跨海桥梁的桥墩模型进行了分析,表明了该方法的实用性。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P75
【部分图文】：

海洋资源,结构建设,海洋空间资源,海上机场

典型代表的海洋资源逐渐走入人们视野，其开发历史较短且程度低，特别是国际公海资源储量动用少和国际共有性，引导人们对海洋资源的研究和开发利用，然而海洋环境复杂多变，资源探索和开发面临着巨大挑战。被称作为“海洋世纪”的 21 世纪，获得海洋资源的控制权就能获得最大的经济利益。为加大对海洋资源的探索以满足生产生活需求，从海上、海洋水域中以及海底多维度立体的从近海向深海区域推进，结构建设和区域规划包括交通、生产、娱乐、居住等，同时在能源集中区域大规模开发石油、天然气，建设利用潮汐洋流能的发电站和海洋风能的风力机群等[2]，利用巨大的海洋空间资源进行一系列结构建设（图 1. 1）。a) 海上机场建设 b) 海上钻井平台

跨海桥

跨海桥梁主要作为近海区域直接的连接通道，据已有数据可知，其跨度均在 5km 以上，现阶段已达 50km；（2）桥梁水域环境复杂。跨海桥梁一般位于江流与海流的汇合处，该地区气候环境复杂，气流紊乱、波流复杂、海床冲刷严重、易发生潮汐等，其中江流喇叭口出水域易形成涌潮；（3）施工建设周期较长、技术要求较高、施工难度大。跨海桥梁建设水域环境复杂跨度大，直接决定了其建设周期、施工难度和技术要求等；（4）投资总量较大。跨海桥梁造价不菲，且带动一方经济发展，是一个地区的发展的大动脉，具有较高的战略意义。然而海洋环境复杂且难预测，对于结构设计以及建设施工均是不小的挑战，近年来大量的海洋资源的开发正在成为新资源获取的重要途径，也同国家发展的大趋势同步前进，同时跨海桥梁的建设水平从正面反映了一个国家的经济实力和基础建设技术的水平。a) 杭州湾跨海大桥 b) 港珠澳跨海大桥

统计数据,台风

有辽阔的海洋面积以及在东南地区绵长的海岸线，该地区拥有丰富的海底矿物资源、海洋生物（水产）资源、洋流能（动力资源）和海洋空间资源等。我国海域内目前海域原油探明率不到20%，天然气探明率不足 10%，且 70%的油气储存量位于深海区域，海洋资源开发逐渐向深海未知水域发展，而对于当今能源，粮食、资源供应紧张与人口爆炸式增长的矛盾日益激化的境况下，海洋资源开发是不二之选和历史发展的必然。海洋蕴藏着巨大的自然资源给与人们便利的同时也具有难以估量的破坏力。我国陆地沿线大多属于太平洋季风区，位于该海洋及近海区域的海工结构等极易受到周围复杂环境影响，根据国家海洋局统计数据（图 1. 3）显示，从 2003-2017 年每年平均经济损失达到 127 亿元，死亡及失踪人口年平均达到 141 人，数据显示虽然在逐年递减，但仍不乐观。2018 年夏季在西太平洋和南海共有多达 20 个台风生成，其中有 8 个从我国沿海登陆，相比以往台风生成数和登陆数明显偏多且登陆地点偏北，沪浙地区异常偏多，位于长三角的华东经济中心—上海拥有着占全国 1.8 万公里 0.9%（约为 172 公里）的海岸线，在 30 天内迎来三个台风的正面“精确”登陆，其中第 18 号台风“温比亚（Rumbia）”更是创造上海地区台风的历史，台风生成的巨大海浪对桥梁、防波堤以及其他沿海结构等产生巨大的侧向外力作用，同时对交通和基础建设造成巨大影响进而影响地区经济发展和生命财产安全。

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