华中科技大学硕士学位论文桥墩基础在海浪作用下的动力响应研究姓名：田子谦申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：唐家祥;李黎20050423I 摘摘 要要 近几十年来，随着经济的发展和社会进步，我国海洋工程事业得到了迅速发展，相继设计和建造了一些海洋工程结构物，例如海洋平台、近海贮罐、人工岛、海底管道以及跨海桥梁等。这些不同尺度、不同型式的海洋工程结构物，大多建造在无掩蔽的海域，经常受到较大的波浪的作用，而海洋工程结构物在生存状态和作业状态所需考虑的波浪条件是不一样的，因此确定作用在海洋工程结构物上的波浪力及其动力响应便成为海洋工程设计者十分关心的问题，它直接影响着海洋工程结构物的安全可靠性。 本文首先总结了作用在结构上的波浪力及其动力响应的计算方法，讨论了各种因素(包括不同波浪理论、水动力系数的选取以及自由表面效应等)对计算结果的影响，其中着重研究了自由表面效应对结构动力响应的影响。 其次对模拟随机过程的谐波叠加法和线性过滤法等数值模拟技术进行了介绍，在此基础上采用线性过滤法并利用数学软件 MATLAB 对某跨海桥梁所在处的波面以及水质点的水平速度、加速度进行了模拟，并对模拟结果与靶谱进行了对比分析。 最后，利用大型有限元软件 ANSYS 并且引用了前面的数值模拟结果，导出了作用在该桥主墩基础上的波浪力时程，并对该桥主墩基础在波浪力作用下的动力响应进行了计算，计算中分别采用了考虑自由表面效应的传统设计谱法和利用数值模拟技术的时程分析法。同时取某根桩基上部分节点的水平位移、速度和加速度的功率谱和均方差值为考察对象，并将两者的计算结果进行了对比。 关键词：关键词：海洋工程结构物 波浪力 海浪谱 数值模拟技术 动力响应 II Abstract With the development of economy and the progress of society, the ocean engineering has been developed rapidly in recent decades in China. A lot of ocean engineering structures have been designed and built, for example ocean platforms, offshore storage tank, artificial islands, submarine pipelines, long-span bridges across the sea and so on. Most of these ocean engineering structures with different dimensions and types are built in exposed sea area and suffer great wave forces, meanwhile, the wave conditions are different when ocean engineering structures are in different states, including survival state and operation state, so it is vital for those ocean engineering designer to determine wave forces acting on ocean engineering structures and their dynamic response which directly affect the safety and reliability of ocean engineering structures. This article firstly summarizes different computation methods of wave force acting on structures and dynamic response，meanwhile some factors that affect computation results are discussed, including the effects of free surface fluctuation, the selection of different hydrodynamic coefficients and wave theories, and the effects of free surface fluctuation is a key point of this study. Secondly, numerical simulation technology is introduced, including harmonic wave superposition method and linear-filtering method. Based on the numerical simulation technology, the velocity and acceleration of water particle and wave surface in a place of an actual bridge across the sea are simulated through linear-filtering method by using MATLAB, a mathematic softwares, and the results of simulation are compared with target spectrums. Lastly, the results of simulation are introduced to derive the time history of wave III force on a pier foundation of this bridge, and the dynamic response of this pier foundation is computed by using ANSYS, a FE software, meanwhile the traditional design spectrum method considering the effects of free surface fluctuation is adopted to compute the dynamic response of this pier foundation. Then the horizontal displacement, velocity and acceleration of some nodes of the pier foundation and their PSD are selected, and the results are compared. Keyword: ocean engineering structures sea wave force sea wave spectrum numerical simulation technology dynamic response 1 1 绪绪 论论 1.1 研究的目的和意义研究的目的和意义 随着人类利用海洋资源程度的增加，对海洋波浪与海洋结构物相互作用的研究也日益深入和发展。特别是近二三十年来，随着我国经济的不断发展，不但传统的近海石油开发工作，包括海上钻探、海上采油、海上补给和海上运输等都正向更具挑战性的海域推进，跨海桥梁的兴建也是势在必行，这其中包括已建成的珠海莲花大桥、澳凼三桥、以及正在建设中的上海东海大桥、杭州湾大桥等跨海大桥。由于跨海桥梁在我国出现得较晚，在理论和经验上都显得比较缺乏，为设计安全可靠、经济合理的跨海桥梁，促使人们更加深入地了解和研究海洋波动及其对结构动力响应的影响。 海洋工程结构物大多数都是在海上长期工作，固定于一定的地点，尤其是跨海桥梁，它对于海上的恶劣天气，如风暴等，不能像船舶那样预先躲避，因此它的设计必须考虑到海上可能发生的最恶劣情况，否则将会造成严重的灾难性事故。在短短的三四十年间，比较著名的灾难性事故有1：1979 年挪威北海“ALEXANDER KJELAND”居住平台的倾覆事故；1981 年加拿大半潜平台“OCEAN RANGE”号的倾覆事故等。这些事故都造成重大的经济损失和人员伤亡，其发生的原因是多方面的，其中有操作上的原因,以及超过预先估计的恶劣环境条件，但与原设计的缺陷或考虑不周也有一定的关系。 海洋工程结构物的型式是多种多样的，而又在复杂的海洋环境条件下工作，因此它的设计计算牵涉到相当复杂的问题，加上海洋工程发展的历史短，进展快，不像在船舶设计上那样有长期的实践经验资料，故而对于结构在各种海洋环境条件，主要是波浪，以及风、海流等作用下的载荷以及动力响应等，必须从理论上及实验2 上进行细致深入的分析，从而为结构的设计求得可靠的依据。 1.2 国内外的研究现状和进展国内外的研究现状和进展 人们很早以前就开始了对于海浪作用的研究，目前一般是从两个领域进行的：一个领域是对液体的波动从流体力学的角度加以研究，研究液体内部各质点的运动状态，这种研究一般包括线性波浪理论和非线性波浪理论两大类；另一个领域是将海面波动看作是一个随机过程，研究其随机性，从而揭示海浪内部波动能量的分布特性，从统计意义上对液体内部各质点的运动状态进行描述，研究其对工程结构的作用。当然后一个领域的研究，也需要应用流体力学理论对处于理想波动状态下的液体内部各质点的运动规律进行描述，目前在实际工程中仅应用线性波浪理论作为其理论基础。 1.2.1 流体力学研究领域流体力学研究领域 对于波浪理论的研究，早在十九世纪初期就已经开始，像 Airy(1845)和Laplace(1816)提出的线性波理论2， 这一理论成为对波浪进行概率描述的基础。 线性波理论或微幅波理论得到的结果，是以波剖面为正弦形状，流体质点的轨迹为圆形这两点为前提的。但是，对于有限振幅波不可能同时存在这些特点，为了设法解决这个矛盾就出现了几个非线性波浪理论。 例如 Gerstner(1802)和 Rankine(1863)分别提出的余摆线波理论、Stokes 有限波幅理论、孤立波(Solitary)理论、Korteweg 和 De Vries(1895)研究的椭圆余弦波(Cnoidal)理论和数值波理论3。 其中椭圆余弦波理论由Keulegan 及 Patterson，Keller，Wiegel 等人进一步研究并使之应用于工程实践。Friedrichs(1948)将摄动法引入浅水波理论之后，高阶浅水波理论的研究取得了极大的进展。 Keulegan 和 Patterson(1940)， Laitone(1960)等曾给出了椭圆余弦波的一阶解，Laitone(1960)使用斯托克斯二阶速度定义推导出了椭圆余弦波的二阶解，Chappelear(1962)得到了三阶解，后来 Fenton(1979)给出了五阶解4, 5。椭圆余弦理论能很好的描述浅水条件下的波浪形态和运动特性，但是由于椭圆余弦波各运动特性3 表达式很复杂， 应用上很不方便， 在工程实践上没有引起足够的重视。 邱大洪4(1981)详细讨论了椭圆余弦波理论及其工程应用，并编制了计算程序。数值波理论最早是由 Chappelear(1961)提出的， 它是根据在非线性的自由水面边界条件下求解势波理论的基本方程而建立的一种方法，Dean(1965)将波浪运动用流函数来表示，从而建立了流函数理论，这两种方法都是利用最小二乘方原理，将自由水面的非线性边界条件转化为二组线性代数方程组来求解的，Rienecker(1981)利用流函数又建