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
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
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.
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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
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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)
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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
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一
— /
/
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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
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