作用在高樁承臺上的不規(guī)則波波浪力試驗研究

雷欣欣，孫大鵬，徐雪蛟，吳 浩，李玉成

（1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，大連116023; 2.大連市旅順口區(qū)港口與口岸局，大連116052）

作用在高樁承臺上的不規(guī)則波波浪力試驗研究

雷欣欣1，孫大鵬1，徐雪蛟2，吳 浩1，李玉成1

（1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，大連116023; 2.大連市旅順口區(qū)港口與口岸局，大連116052）

針對不規(guī)則波中高樁承臺所受波浪力進(jìn)行了物理模型試驗研究，系統(tǒng)分析了該結(jié)構(gòu)的群樁水動力特性，重點考察了整體總力達(dá)到最大值時相應(yīng)的樁柱波浪力規(guī)律。試驗通過整體總力與各個組成樁單樁力的同步監(jiān)測，得到群樁總力最大時刻各組成樁的受力。在試驗數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，給出了前、中、后三樁的波浪力歷時曲線及波高過程線，并就其相位進(jìn)行對比分析；研究了各組成樁群樁總力系數(shù)、群樁正向力與橫向力之比、群樁系數(shù)及單樁正向力與橫向力之比隨水深的變化規(guī)律，探討了承臺與群樁以及各組成樁樁力之間的分配比例并最終確定了最大受力樁。

不規(guī)則波；波浪力；群樁；承臺；分配比例

海上結(jié)構(gòu)物所受的波浪荷載，通常是結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制荷載，它對工程造價、安全度以及使用壽命有重要影響。在海洋工程中，承臺樁基結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，該結(jié)構(gòu)是由若干根起支撐作用的樁柱以及連接樁頂?shù)某信_組成。樁柱所承受的波浪荷載是整個結(jié)構(gòu)的控制荷載，同時承臺的存在又會影響到樁柱的受力，因此研究此類結(jié)構(gòu)的水動力特性對于工程設(shè)計及施工具有重大意義。

對于小直徑樁柱所受波浪力的計算工程實際中仍然采用Morison公式，目前分析確定波浪力的方法主要有四類：特征波法、概率分布法、譜法和波浪模擬法。小直徑樁柱常常以群樁的形式存在，各組成樁的受力與孤立樁有較大差別，這種變化稱之為群樁效應(yīng)。Chakrabati［1］研究了規(guī)則波作用下群樁的水動力系數(shù)隨KC數(shù)和樁距的變化規(guī)律；俞聿修和張寧川等［2-5］對規(guī)則波、不規(guī)則波作用下孤立樁、兩樁并串列、三樁并串列以及四樁方陣的水動力特性進(jìn)行了試驗研究，分析了值隨KC數(shù)的變化規(guī)律，以及群樁系數(shù)隨KC數(shù)、相對樁距、樁數(shù)以及樁位的影響；王愛群等［6］探討了2×2個樁干擾系數(shù)隨KC數(shù)、樁距及波向的變化規(guī)律；李玉成等［7-9］對波流共同作用下的樁柱的水動力特性進(jìn)行了研究；蘭雅梅等［10］研究了規(guī)則波作用下承臺和單樁的水動力特性，主要探討了承臺對樁柱受力的影響。

上述已有的研究成果多是對群樁水動力特性的研究，而實際工程中大多采用群樁與承臺的復(fù)合結(jié)構(gòu)。本文針對某工程實例，通過考察群樁與承臺整體總力達(dá)到最大時相應(yīng)各組成樁的樁力，分析了各組成樁群樁系數(shù)、群樁總力系數(shù)及承臺力與樁柱力之比隨水深的變化規(guī)律，探討并給出了群樁與承臺以及各組成樁樁力之間的分配比例。因此本文的研究成果對群樁與承臺的工程設(shè)計具有良好的借鑒意義和應(yīng)用價值。

1 模型試驗條件及方法

1.1 模型設(shè)計

本試驗?zāi)Ｐ褪且阅硨嶋H工程為背景設(shè)計的高樁承臺結(jié)構(gòu)，模型由上部方形承臺結(jié)構(gòu)及5根群樁組成，模型設(shè)計按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行，正態(tài)模型比尺設(shè)計為1:22.5，結(jié)構(gòu)原型尺寸：承臺長寬均為12 m、高為3 m，群樁由直徑1.8m的A#～E#圓柱樁組成，外圍4根圓柱樁間距（樁心到樁心距離）為7m，圓柱長16m，波浪入射方向與結(jié)構(gòu)正向軸線之間的夾角為20°，群樁位置及波浪力方向如圖1所示。試驗?zāi)Ｐ筒捎糜袡C(jī)玻璃制成，承臺與樁柱剛性連接，模型示意圖如圖2所示。

圖1 群樁位置及波浪力方向示意圖Fig.1 Sketch of group piles position and force direction

圖2 模型示意圖Fig.2 Sketch of model

1.2 試驗儀器及設(shè)備

本試驗在大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點實驗室的波、流綜合試驗水槽中進(jìn)行。水槽長69 m、寬2m、深1.8m。水槽的一端配有不規(guī)則波推板式造波機(jī)，由計算機(jī)控制可產(chǎn)生規(guī)則波和不規(guī)則波。水槽的另一端設(shè)置斜坡式消能坡，以消除波浪反射。模型安放在水槽的中部，距離造波板30m處。

總力測量采用無錫702所研制的應(yīng)變式三維總力傳感器，考慮到測量的精度量程有100 N和450 N兩種，測量相對誤差小于0.5%。

點壓力測量采用北京水科所研制生產(chǎn)的YL2010型多通道點壓力傳感器，測量誤差小于10 Pa。

1.3 試驗組次

試驗波要素采用不規(guī)則波（JONSWAP譜），譜峰升高因子γ=3.3，試驗分3種工況，總力傳感器、點壓力傳感器以及浪高儀保證同時采集數(shù)據(jù)，采樣間隔為0.02 s，采樣長度為8 192，試驗波要素如表1所示，其中Tp為譜峰周期。每組工況重復(fù)試驗4次，保證重復(fù)性。圖3給出了波浪譜的模擬結(jié)果，試驗結(jié)果顯示理論譜與實測譜吻合較好。

表1 試驗波要素Tab.1Wave factors of experiment

1.4 試驗內(nèi)容

總力傳感器安裝在方形承臺頂部，用以測量整體結(jié)構(gòu)總力和承臺總力，群樁總力通過二者之差而間接得到；點壓力傳感器安裝在單個樁柱的內(nèi)壁，用以測量樁柱表面的壓力分布，通過對壓力分布進(jìn)行積分計算得到單根樁正向力、橫向力和水平力合力，本試驗中定義波浪力的方向如圖1所示，坐標(biāo)原點定在中間樁柱（即E#樁柱）底面的圓心上，正向力（即x方向）平行于波向線，橫向力（即y方向）垂直于波向線，浮托力（即z方向）垂直于底面向上為正，圖中的α為水平力合力與x軸之間的夾角。

點壓力在每根樁柱垂向上均勻布置1#～6#列，每列設(shè)置7個測點，共42個傳感器，布置圖如圖4所示。由圖5所示，每一列傳感器角度相同，相鄰兩列角度相差60°，從頂面看順時針進(jìn)行編號，箭頭標(biāo)示A#～E#樁的各列傳感器的位置。同時規(guī)定單樁正向力和橫向力的正方向與承臺樁基結(jié)構(gòu)整體方向相同，為了得到單個樁柱所受樁柱力，還需了解1#～6#列點壓力受力方向與正方向之間的夾角，圖5所示箭頭所指方向即為每一列傳感器受力方向，實心箭頭標(biāo)示各個樁柱1#列點壓力的位置，按照圖1中樁柱的編號1#列傳感器受力方向依次與x軸之間的夾角為209.3°、299.3°、29.3°、119.3°和209.3°，其他各列傳感器受力方向依次類推，其中圖中5個十字圓圈表示各單樁同步波高監(jiān)測點位置。

圖3 理論譜與實測譜對比Fig.3 Comparison between measured spectrum and theoretical spectrum

圖4 單樁上點壓力測點布置圖Fig.4 Sketch of single pile point pressure transducer distribution

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 群樁系數(shù)及群樁總力系數(shù)的定義

采用張寧川等［5］關(guān)于群樁系數(shù)及群樁總力系數(shù)的定義：群樁系數(shù)指群樁中各組成樁樁力孤立樁樁力f之比，即

圖6 整體總力與單樁力同步過程線示例Fig.6 Example of synchronous process of force loads on globaland single pile f單樁

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于各根樁之間存在著波動相位差，整體結(jié)構(gòu)最大受力時刻和單樁最大受力時刻往往不同步，本試驗采用三維總力傳感器測量結(jié)構(gòu)總力的同時，采用多通道點壓力傳感器測量單樁的沿樁點壓力并積分給出單樁的同步波浪力，圖6-a～6-c給出整體總力和對應(yīng)的A#、E#及D#樁波浪力的同步過程線示例。從圖中可以看出，整體總力達(dá)到最大峰值時，各單樁也達(dá)到峰值，但是并不一定達(dá)到該單樁的最大峰值。

圖7 A#樁3種工況下波浪力及波高過程線圖Fig.7 Hydrograph of wave force and height of A#pile in three cases

圖8 E#樁3種工況下波浪力及波高過程線圖Fig.8 Hydrograph of wave force and height of E#pile in three cases

圖9 D#樁3種工況下波浪力及波高過程線圖Fig.9 Hydrograph of wave force and height of D#pile in three cases

2.3 群樁的水動力特性

2.3.1 單樁受力的時間序列

在圖1的群樁中，A#、E#以及D#單樁相對于波浪來向依次為前、中、后樁，圖7～圖9依次為3種工況下A#、E#以及D#單樁所受正向力和橫向力以及相應(yīng)的同步波高H過程線。從前、中、后樁整體來看，頻率均表現(xiàn)出如下規(guī)律：正向力頻率與波浪頻率基本相同，而橫向力頻率大約是正向力頻率的2倍，這主要是由于渦流的擾動作用所造成的；由于浪高儀位置與對應(yīng)樁位置在同一波峰線上，從相位來看，正向力峰值出現(xiàn)的時刻是波峰出現(xiàn)的時刻；從正向力與橫向力對總力的貢獻(xiàn)來看，橫向力對樁柱總力的影響雖然小于正向力，但仍是不可忽略的。

2.3.2 水深對群樁總力系數(shù)的影響

圖10 群樁總力系數(shù)隨水深d變化規(guī)律Fig.10 Influence ofwater depth d on group piles factor

圖11 群樁正向力與橫向力之比隨水深d的變化規(guī)律Fig.11 Influence of water depth d on ratio of group piles of normal force and transverse force

圖12 承臺力與群樁力之比隨水深d變化規(guī)律Fig.12 Influence of water depth d on ratio of group piles force and pile platform force

2.3.3 水深對群樁系數(shù)的影響

圖13 各樁群樁系數(shù)隨水深d的變化規(guī)律Fig.13 Influence of water depth d on factor of group piles fxF/f

圖14 各樁群樁系數(shù)隨水深d的變化規(guī)律Fig.14 Influence of water depth d on factor of group piles fxmax/f

2.3.4 水深對單樁正向力與橫向力之比的影響

由于橫向力對總力的影響不可忽略，同時橫向力的波動頻率是波浪頻率的2倍，因此對橫向力的考察有必要進(jìn)行量化分析。圖15給出了在整體總力達(dá)到最大值時，相應(yīng)各個樁正向力與橫向力之比隨水深d的變化規(guī)律，同時圖16給出了各樁所受最大正向力與其相應(yīng)的橫向力之比隨水深d的變化規(guī)律。

從圖15中可以看出，正向力值始終大于橫向力值的2倍，二者之比在6附近上下波動，A#、C#和E#樁之值相對離散，最大值可達(dá)到13，而最小值幾乎接近2，說明在不同的工況下橫向力占樁柱力的比重是不同的；而圖16中隨水深的變化比的波動幅度要小，C#、D#樁之值始終大于6，而A#、E#樁正向力與橫向力之比始終在4附近上下波動，說明對于不同的樁柱，橫向力對樁柱力的影響也是有差別的。

圖15 各樁正向力與橫向力之比與水深關(guān)系Fig.15 Influence of water depth on ratio of normal force and transverse force

圖16 各樁正向力與橫向力之比與水深關(guān)系Fig.16 Influence of water depth on ratio of normal force and transverse force

2.4 群樁中各單樁波浪力的分配比例

當(dāng)整體結(jié)構(gòu)總力達(dá)到Fmax時，群樁總力與承臺力分配比例以及各樁力的分配比例如表2所示。工況1、2群樁總力所占百分比在50%～60%，工況3由于水位較低，樁柱幾乎承擔(dān)了整個結(jié)構(gòu)的全部波浪力。A#、E#樁在群樁受力中所占比例最小，D#樁受力最大，B#、C#樁受力相當(dāng)。從表中還可以看出，隨著水深的增大，群樁效應(yīng)的影響越來越弱，各樁所占百分比比較接近。

表2 樁力分配比例Tab.2 Distribution ratio of force loads on piles%

3 結(jié)論

（1）單樁受力的正向力頻率與波浪頻率基本相同，而橫向力頻率大約是正向力頻率的2倍，根據(jù)前、中、后三樁的波浪力過程線來看，在整體總力達(dá)到峰值時，各樁所受波浪力并不可能同時達(dá)到相應(yīng)單樁的峰值。

（2）水深d對群樁總力系數(shù)的影響：隨著水深d的增大，受承臺影響群樁總力系數(shù)F/Nf逐漸增大；而群樁正向力與橫向力之比隨水深增大逐漸減小，說明水深大時由于承臺的擾動使得群樁效應(yīng)加劇橫向力值增大，總體而言橫向力不容輕視；承臺力與群樁力之比在水深較小時，承臺力幾乎為0，隨著水深d的增大，之值在0.7左右變化。

（3）水深d對于群樁系數(shù)的影響從整體趨勢來看，當(dāng)水深較小時，各樁群樁系數(shù)值比較接近，而當(dāng)水深d大于某一個值時，5根單樁群樁系數(shù)逐漸大于1，各樁力值相差越來越大。同時各樁均大于1且明顯大于或者等于，這再次說明在整體總力達(dá)到時，各單樁并不一定同時達(dá)到其最大值。

（4）水深d對正向力與橫向力之比的影響說明在不同的工況下橫向力占總力的比重是不同的，同時對于不同的樁柱橫向力對樁柱力的影響也是有差別的。

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［10］蘭雅梅，郭文華，劉樺，等.規(guī)則波中承臺和樁柱水動力的實驗研究［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展：A輯，2010，25（4）：551-558. LAN Y M，GUOW H，LIU H，et al.The experimental research of hydrodynamic characteristics of platform and piles in regular wave［J］.Journal of Hydrodynamics，Ser.A，2010，25（4）：551-558.

［11］JTJ213-98，海港水文規(guī)范［S］.

Experimental study of irregular wave force loads on high rise pile platform

LEIXin-xin1,SUN Da-peng1,XU Xue-jiao2,WU Hao1,LIYu-cheng1
(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024, China;2.Dalian Lvshunkou Port Authority,Dalian 116052,China)

A physical model experimental study was carried out to research wave force loads on group piles and the slab in irregular wave.The hydrodynamic characteristics of group piles were also analyzed in this paper. The wave force rule of pile when wave force loading on global structure reached maximum was investigated emphatically.The global force and pile force at the same time and every pile force when global force reached maximum were observed.Based on the analysis data,the force and wave height process line of front,middle and back pile was given out,and phase of them was analyzed.The influence of water depth on group piles factor, group piles in-line force against transverse force,single piles factor and the ratio of in-line force and transverse force of single pile was discussed in detail.Finally,the distribution ratio between piles and the largest force of pile were confirmed.

irregular wave;wave force;group piles;pile platform;distribution ratio

TV 139.2；TV 139.2+5

A

1005-8443（2013）04-0277-08

2013-02-18；

2013-03-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(50921001)

雷欣欣（1987-），女，山西省晉中人，碩士研究生，主要從事波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究。

Biography：LEIXin-xin(1987-)，female，master student.