不规则波对透空式建筑物上部结构冲击作用时域分析

第43卷第6期 2003年 11月 大 连 理 工 大 学 学 报 Journal of Dalian University of Technology Vo1．43．NO．6 Nov． 2 0 0 3 文章编 号 ：1000—8608(2003)06—0818．07 不规则波对透空式建筑物上部结构冲击作用时域分析 任 冰 ， 王 永 学 (大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024) 摘 要 ：对透空式建筑物上部结构 的不规则波冲击作用进行 了试验研究．试验靶谱是 JONSWAP谱，试验中选取的入射波波高 Hl，3的范围为 0．10～ 0．25 m，谱峰周期丁 的范围 为 1．0～ 2．0 s，结构物底面距静水面的高度 5与入射波高 Hl，3之比的范围为 一 0．1～ 0．4． 给出了不同试验组次的结构物底面所 受波浪冲击压力的统计分析结果，得出结构物底面所受 波浪冲击压力的特征值 沿结构物底面分布特性．s／H，，。对作用于结构物底面的冲击压力峰 值有很大影响，冲击压力峰值最大值出现在 s／H，／ 一 0．1～ 0．2． 关键词 ：不规则波；波浪冲击；透空式建筑物；统计分析 中图分类号 ：P731．22；U656．113 文献标识码 ：A O 引 言 在海岸和近海工程中，海上栈桥、采油平台等 建筑物的安全与波浪冲击作用关系很大．在恶劣 海况下，当波浪与结构物面板底面接触时所产生 的波浪冲击荷载对结构物的破坏性很大，而当波 浪离开结构物面板底部时所产生的负压力对结构 物 的耐久性造成了威胁．近年来，波浪对浪溅区 结构物的冲击作用在世界范围内引起了广泛关 注，但由于波浪冲击问题涉及波浪的强非线性、瞬 时效应、流体粘性、湍流等因素，现阶段的研究成 果基本上局限于开敞水域小尺度水平圆截面杆件 的波浪冲击作用，而忽略了结构物本身对冲击作 用的影响n叫]．对于水平平板冲击问题的理论研 究 ，Kaplan等采用与处理小尺度水平圆柱相近的 ，给 出了作 用在水 平平 板 上 的冲击 力 公 式[s ]．但是对于大尺度水平平板结构的冲击问 题 ，波浪 自由面形状的影响不可忽略，并且冲击时 波浪破碎和变形的影响，以及冲击时在平板底部 和波浪 自由面间残 留的可压缩气 团的影 响 ，使得 大尺度水平平板的冲击问题与小尺度水平圆柱的 冲击问题在机理上差别很大，用推广小尺度水平 圆柱冲击问题的处理方法来研究大尺度平板结构 冲击问题存在着很大的缺陷．此外，以上研究成 果都是基于规则波的，有关不规则波对处于浪溅 区结构物冲击作用的机理与规律的研究工作几乎 处于空 白． 本文采用物理模型试验对透空式建筑物上部 结构所受的不规则波冲击作用进行研究，通过对 在不同的入射波要素和s／H ／。情况下模型所受的 冲击压力进行统计分析，得到不规则波对透空式 建筑物上部结构底面的冲击压力的特征值沿模型 底面的分布，并讨论入射波要素和结构物距离静 水面的相对高度对结构物底面所受的冲击压力的 影 响． 1 试 验 设 计 试验在大连理工大学海岸和近海工程 国家重 点实验室的大波流水槽 内进行．试验水槽长 69 m、宽 2 m、高 1．8 m．水槽的一端 配有从美 国 MTS公司引进的液压式推板造波机 ，由微机控制 造波与数据采集处理．水槽的末端装有消能装 置，以减小和消除波浪反射的影响．为减少接岸 结构模型产生的反射波传播到造波板后引起的二 次反射，在水槽中后部试验段用约 10 in长的两块 隔板将水槽分割成等间距的 3部分，其中最外侧 放置试验模型，如图 1所示． 结 构物模 型用有机玻璃制作 ，其尺寸为长 收稿 日期 ：2002—10-25； 修 回 日期 ；2003—10-19． 作者简介：任 冰 (1972一)，女，博士；王永学(1955一)，男，教授，博士生导师． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 任 冰等：不规则波对透空式建筑物上部结构冲击作用时域分析 819 100 cm、宽 65 cm、厚 2 cm．模型底面所受的冲击 压 力 测 量 采用 天 津 水 运 科 学 研 究 所 生 产 的 sG一2000型多点压力测量系统，压力传感器的 自 振频率为 500 Hz，采样间隔为 0．004 S．模型底部 布置 11个点压力传感器，沿波浪传播方向依次编 号 为 1号至 11号 ，其布置如图 2所示．通过一端 固定在模型上、另一端固定在水槽顶部支架上的 连接杆将结构物模型悬 吊在水面上，其距水面的 高度 S可方便地通过机械装置调节． 图 l 试验设备 示意 图(俯视 图) Fig．1 Sketch of experimental setup from top view 图2 结构物模型底部点压力传感器布置示 意 图 2 试 验 组 次 本 文试 验中 的入射 波浪为不规则 波 ，目标谱 选用 JONSWAP谱 ，其表达式为 0j一 0．062 38 0．23+ 0．033 67 — 0．185(1．9+ y) (1．094— 0．019 151n y) × (2) f0．07；厂≤ 厂p 【0．09；f> ／。 式中：y一 3．3，T 是谱峰周期 ，H。／。是有效波高． 试验 中选 取 的 丁 分别 为 1．0、1．2、1．5、2．0 S，并 由谱峰周期代人线性微幅波理论公式计算出其代 表波长 ，分别 为 154、212、299、436 cm．则 相对板 长 L 分别为 0．65、0．47、0．33、0．23；Hl／3分别 为 1O、15、2O、25 cm；结构物模型底面与静水面之 间的高度 S与 。／。的比值分别为 一0．1(此时S位 于静水面下)、O、0．1、0．2、0．3、0．4．试验水深 为 60 cm．经合理组合后确定了 60个组次列于表 1，每个组 次至少重复试验 3次．图 3给 出了 H。／。 一 15 cm，Tp— 1．5 S和 Hl／3— 20 cm，T 一 2．0 Fig．2 Sketch of pressure transducers on the s时实验水槽中模拟出的波谱和对应靶谱之间的 subface of the model 比较． 表 1 试验 组次 Tab．1 W ave parameters in experiment No． 厶√L H l／3 slH,／3 No． 厶 ／L Hl／3 slH,／3 No． Lm『L Hlf3 slH,／3 1 O．65 10 — 0．1 21 0．33 1O 0．1 41 0．23 10 0．3 2 O．65 1O 0 22 0．33 1O 0．2 42 0．23 10 0，4 3 0．65 10 0．1 23 0．33 10 0．3 43 0．23 l5 — 0．1 4 O．65 1O 0．2 24 0．33 1O 0．4 44 0．23 15 0 5 O．65 10 0．3 25 0．33 15 — 0．1 45 0．23 15 0．1 6 0．65 10 0．4 26 0．33 15 0 46 0．23 15 0．2 7 O．47 10 — 0．1 27 O．33 15 0．1 47 0．23 15 0．3 8 O．47 1O 0 28 0．33 15 0．2 48 0．23 15 0．4 9 O．47 10 0．1 29 0．33 15 0．3 49 0．23 20 —— 0．1 1O O．47 10 0．2 30 0．33 15 0．4 50 0．23 20 O 11 O．47 10 0．3 31 0．33 2O 一 0．1 51 0．23 20 0．1 12 O．47 10 0．4 32 0．33 2O 0 52 0．23 20 0．2 13 O．47 15 — 0．1 33 0．33 2O 0．1 53 0．23 2O 0．3 14 O．47 15 0 34 0．33 2O 0．2 54 0．23 2O 0．4 15 O．47 15 0．1 35 0．33 2O 0．3 55 0．23 25 — 0．1 16 O．47 15 0．2 36 0．33 2O 0．4 56 0．23 25 0 17 O．47 15 0．3 37 0．23 1O 一 0．1 57 0．23 25 0．1 18 O．47 15 0．4 38 0．23 1O 0 58 0．23 25 0．2 19 0．33 10 — 0．1 39 0．23 1O 0．1 59 0．23 25 0．3 20 0．33 1O 0 40 0．23 1O 0．2 60 0．23 25 0．4 × 丁 5 —4 一 广 懈 一 S 维普资讯 http://www.cqvip.com 820 大 连 理 工 大 学 学 报 第43卷 。 g ＼^ ＼ (a)Tp一 1．5 S，H l／3= 15 cm ● 暑 ＼^ _、 f／s一’ (b)Tp= 2．0 S，H l／3= 20 cm 图3 实测波谱与对应靶谱的比较 Fig．3 The measured and target spectrum 3 试 验 结 果 分 析 试验中通过在结构物模型底面布置的 l1个 压力传感器测量了不同组次情形各测点的波压力 历时曲线，图 4给出了H ／。／d一0．333，T 一 2．0 S，s／H ，。一 0．1的情况下 ，① 和 ⑧ 压力传感器的 压 力历时曲线．可以看出，结构物所受的冲击压 力可以分为 3部分 ：在波浪刚冲击到结构物瞬间， 产生了一个强度很大的瞬间冲击压力峰值；之后 为一个与结构物被水体淹没状态有关 的动水压 力；最后在水体脱离结构物时，产生一个负压力过 程．取模型底面 i测点在采样时间内的冲击压力 峰值按由大到小依次排列的前 1／3个峰值的平均 t／s (a)① 压力传感器 值 。作为各测点的冲击压力峰值特征值 ，其单 位为 kPa．之后 将同一试 验组次的 11个压力测点 的 。特征值进行平均，得到整个模型底面的平 1 均冲击压力峰值 P ，P = 砖 ，3；取模型底面 1 1 = 1 i测点在采样时间内的每个周期的负冲击压力的 最大幅值，按由大到小依次排列的前 1／3个值的 平均值 ，。作为各测点的负冲击压力特征值，之 后将 同一试 验组次 的 11个压力测点的 ．1，。特征 值进行平均，得到整个模型底面的平均负冲击压 1 力值 P ，P 一 ，3． 日 t／s (b)(a)的局部放大图 t|s t|s (c)⑧ 压力传感器 (d)(c)的局部放大图 图4 冲击压力历时曲线图( 1／3／d一 0．333，T = 2．0 s， ／ 1／3— 0．1) Fig．4 The impact pressure time history ON the subface oi the model(Hl／3／d= 0．333，Tv= 2．0 S，s／Hl／3— 0．1) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 任 冰等：不规则波对透空式建筑物上部结构冲击作用时域分析 821 3．1 冲击压力沿模型底面的分布规律 波 浪在冲击到码头面板底面时，波形因接触 面板而有很大的变形，码头面板底面各个位置的 冲击压力沿波浪推进方向并不相同．图 5给出了 冲击压力沿结构物模型底面的分布图．其横坐标 为模型底面压力传感器序列号 ，纵坐标为模型 底 面各测点的冲击压力特征值．由图 5可以看 2．0 日 1．5 山 1．0 ’ 0．5 矗 ’ 西 3 2 ’ · 0 (a) =0-65 一 - -．-- S ／Hl l3 ： =O 0．． 一 ’’ ～ 0．4 (c)L J L=0．3 ． 3 1 一 ／14, 0 3s／H ／3=0 ． s／H113=0． 一 ⋯ ，_0 2 1_=- ，u1／3：U-．o-S／M1／3=U ． Z ~ 'J；Z'~l／3-v一 - ' t (d) =。 - 一 - 0- s ／H ／3 ： -- - 0 0 ． ． s／Hlt3=0．4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 出，模型所受的冲击压力峰值特征值沿模型底面 的分布规律受 ／ 的影响很大．当结构物长度 相 对 入 射 波 浪 的 尺 度 较 大 时 ( ／L 一 0．65和 ／L一 0．47)，结构物向海侧的冲击压力峰值特 征值较大；较小时( ／L一 0．33，厶 ／L： 0．23)， 结构物向岸侧的冲击压力峰值特征值较大，结构 物底面中部的负冲击压力特征值较大． ． (e) ’。。65 = s／H1／3 =0． ． 一 s／H1／3 0．3 。 --一s／H1／3=O．4 ． ( )￡ =0 = slH, n=O ． ．,-s／H,／3=0 3 ． (g)LJL=0-33 = s ／H1／ 3=0 ． ． --,-s／H1／3=0 ：3 ． (h)￡ =。 一 - - e- s／H, ／3 ： = 0 0 ． ． ／ -一 图5 冲击压力沿结构物模型底面的分布(H。／。／d一 0．167) Fig．5 The distribution of the characteristic pressure along the subface of the model(日l，a／d一 0．167) 3．2 人射波的波高对冲击压力的影响 在 其他入射波要素相同的情况下，大波峰的 波浪具有较大的能量 ，因此波峰高度对结构物底 面的冲击压力影响很大．由于随机波列包含一系 列不同波高的组成波，在波浪冲击过程中，不是所 有波高的组成波都能够冲击到结构物的底面．图 6是模型底面平均冲击压力与入射波高关系图． 可以看出，模型底面的平均冲击压力随入射波高 的增大而增大，二者成线性关系． 3．3 结构的相对板长对冲击压力的影响 波 浪冲击结构物底面时，结构物的相对板长 决定波面沿结构物底面的推进长度 ，因此相对板 长对波浪的冲击压力有很大的影响．图 7是不规 则波对模型底面的平均冲击压力与结构的相对板 长的关系图．其横坐标为模型相对板长 ／L，纵 坐 标 为模 型底 面 的量 纲 一 的平 均 冲击 压 力 P ／pgH。／。和 P ／pgH。，3’由图7可以看出，不规则 波对模型底面的平均冲击压力随结构的相对板长 的减小而增大，且成线性关系． Bd Bd i Bd 素 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 2 2 1 1 0 2 2 1 1 0 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 — ／ ／ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第6期 任 冰等：不规则波对透空式建筑物上部结构冲击作用时域分析 823 0．02s／Hl／3--0．167L ／L+0．278] (5) 图 8还给 出了 由经验公式 (4)、(5)得到 的计 算 值．如图所示，平均冲击压力峰值的经验公式 钽 钽 钽 ～ (b)L ／L=O．47 · H1， 0．167 一 公式 (4)R=O．86 (c)L ／L=O．33 · ， 0．167 ． o H1 d=0．250 一 公式 (4)R=O．86 一(d)￡m =0-23： 搭 ， H1r]~-o．333 ． H、dd=0．417 一 公式 (4)R=O．93 l 一 1 (4)与实测结果吻合很好 ，相关系数在0．86以上． 平均负冲击压力经验公式(5)与实测结果吻合情 况 略差一些． 呈 Q b0 篁 (e)L ／L=0．65 · ，3， 0．167 一 公式 (5)R=-0．95 — — — — (f)￡ =0．47 · ， 0．167 o H、dd=0．250 一 公式 (5)R=-0．65 · — 厂 ＼ o ＼ (g)￡ =0．33 ·Hldd=-0．167 o H 嘻d=0．250 ． H dd=0．333 一 公式 (5)R=-0．75 l ’ - ● ● _ ● ．(h)￡ 0·23： 嚣 H、dd=0．333 ． H、 d：0．417 一 公式 (5)R=-0．69 ． ， ● L o I 一 ， ． ● · · r ＼ ： sfH、I3 s／Hv3 图8 平均冲击压力随 ,／H。，。的变化 Fig．8 Average impact pressure on the subface of the model versus different s／Hln 4 结 论 (1)结构物底面各点冲击压力特征值的分布 规律受结构物的相对长度 L 的影响很大 ，当 L ／L较大时(L ／L= 0．65和 L ／L一 0．47)，结 构物向海侧的冲击压力峰值特征值较大；当L 较 小 时 (L ／L： 0．33，L血／L= 0．23)，结构 物 向 岸侧的冲击压力峰值特征值较大，而结构物底面 中部的负冲击压力特征值较大． (2)结构物底面的平均冲击压力峰值 P 和平 均负冲击压力 P 随入射波波高的增大而线性增 大． (3)p 和 P 随结构物相对长度的减 小而线性 增 大． (4)结构物相对净空对冲击压力峰值的影响 很大，冲击压力峰值的最大值大多出现在 ,／Ht／。 = 0．1～ 0．2． 参 考文 献 ： [1] KAPLAN P，SILBERT M N．Impact forces on platform horizontal members in the splash zone [A3． Offshore Technology Conference EC]． Houston：Es n]，1979．749—758． E23 MILLER B L．Wave slamming loads on horizontal circular elements of offshore structures[J]．J Royal Inst Naval Archit，1977(S)：169—175． E3]SARPKAYA T． Wave impact loads on cylinder 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com