地震和波浪作用下表面波条件对海水动水压力的影响震灾防御技术.PDF

第 12 卷 第 1 期 震灾防御技术 Vol. 12 ，No. 1 2017 年 3 月 Technology for Earthquake Disaster Prevention Mar. ，2017 郭康康，赵密，杜修力，许成顺，王亚东，2017 ．地震和波浪作用下表面波条件对海水动水压力的影响．震灾防御技术，12 （1）： 166—176．doi ：10.11899/zzf 地震和波浪作用下表面波条件对海水 动水压力的影响1 郭康康 赵 密 杜修力 许成顺 王亚东 （北京工业大学，城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124 ） 摘要 地震动斜入射条件下海洋场地简化为理想流体海水-两相介质海床-弹性固体基岩系统模型，通常 假定为静水液面条件。本文以地震动 SV 波为例，推导了表面波条件下海洋场地动力反应解析解，研究 了表面波条件对海水动水压力的影响。研究表明，表面波频率在大于 0.5Hz 时对海水动水压力几乎无 影响，在小于 0.5Hz 范围内有影响，且越接近水面、频率越低时影响越显著。实际地震动卓越频率通 常大于 0.5Hz，因而地震动作用下采用忽略表面波条件的静水液面假定是合理的。进一步结合线性波浪 理论，研究 SV 波和波浪联合作用下表面波条件对海水动水压力的影响。研究表明，由于波浪属于低频 荷载且频率通常小于 0.5Hz，在地震和波浪联合作用下表面波条件的影响较地震单独作用更为显著。 关键词：表面波条件 地震 波浪 海水动水压力 引言 海洋环境极端恶劣，自然海床处于复杂的荷载环境中，荷载包括波浪、海流、风、冰 和地震等。波浪荷载是海床的常遇荷载，目前，关于波浪引起的自由场海水动水压力的相 关理论已基本完善（竺艳蓉，1991），波浪与海床间交互作用的研究成果已十分丰富（王忠 涛，2008 ；郑东升，2013 ）。而针对在地震作用下海床竖向运动分量产生的自由场海水动水 压力的相关研究成果却相对较少。王进廷等（2003 ；2004 ）首先对地震动水压力进行了研 究，根据弹性介质与多孔介质海床边界条件、多孔介质海床与理想流体边界条件以及理想 流体层自由表面的边界条件，基于位移势函数，推导了平面 P 波和 SV 波从弹性半空间入 射产生的上覆水体动水压力解析表达。Wang 等（2004 ；2009 ）在多孔介质海床存在的情况 下，分析了地震入射角度、介质层厚度等参数对水体动水压力的影响。研究地震和波浪联 合作用下的流体层动水压力，对于探索理想流体-结构相互作用以及海水和海床交互作用具 有重要的参考意义。 Wang 等（2004 ；2009 ；王进廷等，2003 ；2004 ）在分析地震产生的流体层动水压力时， 在确定理想流体层自由表面边界条件时忽略了自由表面波的影响。为完整地研究地震和波浪 1 基金项目 国家973 项目（2011CB013600 ）和国家自然科学基金项目） ［收稿日期］ 2016-06-08 ［作者简介］郭康康，男，生于 1990 年。硕士研究生。主要从事自由场海水动水压力反应研究。E-mail ：zhaomi@bjut.edu.cn 1 期 郭康康等：地震和波浪作用下表面波条件对海水动水压力的影响 167 联合作用下海工结构或海床动力反应，需要建立地震和波浪荷载作用下海工结构或海床动力 反应的统一模型，而在建立统一模型之前，首先要考虑自由表面波对地震入射流体层产生的 动水压力的影响。Wang 等（2004 ；2009 ；王进廷等，2003 ；2004 ；2008 ）给出的是单位加 速度幅值的简谐地震波入射下的动水压力的解，为了研究具有复杂频谱特性的实际地震波作 用下产生的动水压力，需根据地震波的加速度幅值和频谱特性综合分析实际其产生的自由场 海水动水压力。 本文在雷枝（2014 ）的研究成果的基础上分析考虑 SV 波和波浪联合作用下自由表面波 对自由场海水动水压力的影响，研究不同频率、水深、水平位置、波高、海床厚度等条件下 联合动水压力的分布规律，为近海工程或