波浪荷载的计算理论.doc

波浪荷载的计算理论 波浪是发生在海洋表面的一种波动现象，其波动性质因受浅水区域海底地形影响和水深的变浅，发生波浪破碎现象，成为影响海岸侵蚀和变形以及海岸带污染物迁移与扩散的最主要的水动力环境之一。破浪破碎与冲击现象对海上工程设施的安全也十分重要。由于波浪破碎及冲击作用的机理极其复杂，至今仍然是海岸工程领域没有解决的困难课题之一。因此，开展近海波浪破碎与冲击过程数值模型的研究，就有着重要的理论意义和工程意义。 波浪荷载,也称波浪力，是波浪对港口码头和海洋平台等结构所产生的作用。目前按绕射理论进行分析。波浪对结构物的作用由四部分组成：水流粘滞性所引起的摩阻力（与水质点速度平方成正比）；不恒定水流的惯性或结构物在水流中作变速运动所产生的附加质量力（与波浪中水质点加速度成正比）；结构物的存在对入射波浪流动场的辐射作用所产生的压力和结构物运动对入射波浪流动场的辐射作用所引起的压力。包括上述全部作用影响的波浪力理论称为绕射理论。在目前实际工作中，常用只考虑了结构受到波浪摩阻力和质量力影响的半经验半理论的莫里森方程分析波浪力。 由于波浪具有明显的随机性，难用确定的函数表达，故在波浪的研究中常采用多个或无限个振幅、频率、方向、位相不同的简单波的叠加，并规定组成波的振幅或相位是随机量，从而叠加的结果为随即函数，以反映波浪的随机性。实践证明这种方法是可行的，它以成为研究波浪要素的统计特性的分布来描述它，另一是用波浪要素的“谱”来表征其内部的频率结构。当然，波浪外观上表现出来的性质和它的内部结构是有联系的。水库波浪席在风里直接作用下产生的运动，表面十分复杂，在统计过程中是把波浪当作准稳定的随即过程来处理，每次测量实践为10-5小时。如果观测是段短、波数少时，为了提高精度，可父子俩偏差大的缺点，也可将各组中每种波的出现概率进行加权统计。左图是根据1966、1967年密云水库和还有那个水库的原形观测资料绘出的波高小于H的概率曲线，它与三元海浪概率分布的克雷洛夫共识甚为符合(即图上所示公式)。 波浪荷载作用下土体的动力特性:在波浪荷载作用下,海床中的土单元也受到一系列循环荷载作用. 在某一时刻,当波峰作用在所研究的土单元正上方,则会产生正的竖向压力;当波谷作用在其上时,则产生负的竖向压力. 这样,在一个波长距离的波作用下,产生的应力是由三轴应力作用的圆形轨迹. 在波高为零的瞬时,波作用在土单元上,产生水平剪应力并引起单剪模式的应变,这一水平剪应力分量也随着波的传播而改变其方向,引起剪应力的另一类型的循环交替. 值得注意的是,上述两种循环剪应力是交替作用而不是同时作用的. 三轴试验的剪切模式所产生的循环应力与单剪模式的水平剪应力相位差为90°. 因此,由波浪荷载产生的作用在海床土体的循环应力是沿主应力方向连续旋转的,其应力交替的性状可由图2 (b) 中的τvh与(σv - σh) / 2 之间的圆形关系来表示. 具体例子： 　直立浮式截圆柱柱群的绕射问题 旋。对静止于水深为d的水域中的N个相同吃水h、半径a的柱体，坐标系统如图1，单个柱体的圆心Oj坐标为（xoj,yoj，z）（j＝1，…，N），建立局部的柱坐标系（γj，θj，z）。这样第k个柱体中心Ok相对于j柱局部坐标系有（Rjk，θjk，z）极坐标，(j，k＝1，2，…，N）。入射波采用线性微幅波理论。 图1　坐标系统 　　为了将每个单元柱体的不同散射波成分迭加并计入柱间水动力干扰，引入大间距假设，即认为柱间距Rjk，j，k＝1，2，……，N与入射波波长相比足够大，k0Rjk1。这样由柱群中任一圆柱在入射波作用下产生的绕射波对其它圆柱的作用可近似为非平面修正的等效平面波，即改进平面波法。　　对每一个柱体而言，其速度势中的未知系数与其编号无关，即决定未知系数的方程对每一个柱体都是相同的。因此，柱群情况下只需考虑第j柱附近的速度势即可。　　对于第j柱，传播方向与x轴正向夹角为β的线性规则波速度势Φj2I可记为: 　　　　　　　（1） 式中，A为入射波波幅（m），ω为入射波频率（s－1）；Jm（x）为第一类m阶Bessel函数，εm为Neumann常数，且ε0＝1，εm＝2（m≥1）；k0为波数，应满足色散关系:ω2＝gk0thk0d。PHj＝exp｛i（k0xjcos　β＋k0yjsin　β）｝为相位项。对应第j柱的内、外域速度势应有: 　　　　　　　（2） 　　　　　　　（3） 由入射波速度势Φj2I引起的第j柱的绕射速度势Φj2s为: 　　　　　　　（4） 式中， 　　考虑另一个柱体k，半径亦为a，到j柱的距离为Rjk。由第j柱入射波引起的第k柱绕射势为: 　　　　　　　（5） 式中: 代表了等效平面波幅: 　　　　　　（6） 为非平面波修正项，其中: 　　这样对N（N＞2）个柱