规则波作用下桩基-重力式靠船墩受力特性研究
金晨;邵中洋;魏敏;杨鋆
【摘 要】利用Flow-3D建立三维数值波浪水槽,模拟规则波对桩基-重力式靠船墩的影响.文章分析了下部沉箱、中部桩柱、上部墩台的动压强随时间的变化规律;并研究了沉箱高度的变化对各组成部分表面动压强及波浪力的影响.研究表明:(1)随着压强测点位置高程的增加,沉箱表面的压强逐渐增大,桩表面的压强先增大后减小,在静水面处达到最大,墩台表面的压强逐渐减小;(2)随着沉箱高度的增大,靠船墩各组成部分的动压强也随之增大,且沉箱高度的变化对沉箱下半部分、桩身静水面以上部分、上部墩台的压强影响较小,对沉箱上部和桩身水下部分的压强影响较大;(3)沉箱所受的正向波浪力随沉箱高度的增加而增大,桩所受的正向波浪力变化则呈相反趋势,墩台的正向波浪力变化不大.
【期刊名称】《水道港口》
成都医学院是几本【年(卷),期】2018(039)005
【总页数】9页(P603-611)
【关键词】Flow-3D;三维数值波浪水槽;规则波;桩基-重力式靠船墩
【作 者】金晨;邵中洋;魏敏;杨鋆
【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;中电建水环境治理技术有限公司,深圳518102;河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098
【正文语种】中 文
【中图分类】TV312
客服文员随着我国经济的飞速发展，迫切需要新建水深更深、规模更大的现代化港口。为适应深水波浪条件，学者提出了下部沉箱、中部群桩和上部码头相结合的桩基-重力式复合结构。该复合结构属于新型结构，目前对其研究仍处在初级阶段，对该结构在外海波浪作用下的受力机理的研究较少，因此研究在波浪作用下结构表面的受力特性对新型结构的应用有一定的现实意义。
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综合考虑受力、施工及成本等因素，桩基-重力式复合结构是超大型开敞式码头可选择、安全、可行、经济的结构型式[1-2]。赵石峰等[3]对桩基-重力式复合结构进行了整体稳定性、构件内力、桩承载能力的计算分析，发现该结构不仅能利用沉箱的自重保持结构的稳定，又可利用群桩代替部分沉箱，减少整个结构所受到的波浪荷载。
对波浪作用的数值模拟研究，耿宝磊[4]、任效忠[5]从三维角度分别模拟了波浪与净空板、波浪与开孔沉箱之间的相互作用，并与物模结果进行对比，说明采用VOF数值方法模拟波浪与结构的相互作用是一种方便且有效的方法。Flow-3D对VOF进行改进，采用更高效的TruVOF法追踪自由液面的变化，且提供多种模型处理自由液面，近年来被运用于水流流态紊乱、三维紊动剧烈的消能池水流等复杂流态的模拟[6]。
本文利用Flow-3D对波浪进行模拟，用TruVOF法追踪自由液面的变化，研究波浪作用下桩基-重力式复合结构的受力特性，进而研究沉箱高度对结构受力的影响。
1 工程概况
本文依托大连新港新建30万t级的进口原油码头工程，该码头与大连老虎滩海洋站所观测的
竹林深处人家海况属同一海区，以赵石峰[7]介绍的大连老虎滩海洋站的海浪观测资料作为本文波浪设计要素，设计波要素详见表1。在本文研究中选取水深27 m，最大波高7.5 m，周期9.4 s作为波浪要素。
未来电脑表1 设计波要素Tab.1 Design wave factors波向水深(m)H1%(m)H4%(m)T(s)SE277.56.49.4SE257.46.39.4SE106.75.89.4
刘祺[8]在该工程实际结构的基础上，提出了桩基-重力式复合结构的优化方案，并给出推荐的尺寸，具体如下：靠船墩的墩台主体尺寸为16.5 m×14.7 m×3.0 m(长×宽×高)，其中迎浪高度为5 m，背浪侧高度为3 m，顶高程为9.0 m；墩台下部中间布置2根直桩，迎浪侧和背浪侧分别布置3根直桩，均为直径为1.6 m的钢管混凝土桩；沉箱总尺寸为23.5 m×16.7 m(长×宽)，底高程为-27 m，考虑到研究沉箱高度对复合结构受力的影响，保持墩台顶高程和沉箱底高程不变，对沉箱高度为17 m、19 m和21 m的结构进行分析。具体尺寸布置形式如图1。
图1 复合结构尺寸图(mm)Fig.1 Composite structure dimensions
2 三维数值波浪水槽模型
本文利用Flow-3D软件，以Navier-Stokes方程为基本控制方程，选择RNGK-ε紊流模型，建立三维波浪数值水槽模型。
2.1 数学模型
2.1.1 控制方程
连续方程为
(1)
Navier-Stokes方程为
(2)
住院的英文紊动能kT方程和εT方程
(3)
(4)
间接描写
式中：VF为引入的体积分数；Ax、Ay、Az分别为计算水体在x、y、z方向上的面积分数；u、v、w分别为x、y、z方向的速度分量；fx、fy、fz分别为x、y、z方向的粘滞力加速度；Gx、Gy、Gz分别为x、y、z方向上的重力加速度；C1、C2、C3为紊动系数；kT、εT分别为紊动动能、紊动动能扩散率；GT为由于浮力引起的紊动动能产生项，对于不可压缩流体一般取为0；PT、DkT 、Dε分别为紊动动能产生项与扩散项。
2.1.2 自由表面的处理
流体体积函数F在考虑体积分数和面积分数后，运输方程为
(5)
2.2 三维数值波浪水槽的建立
波浪水槽尺寸为1 050 m×18 m×37 m，X方向取1 050 m，复合结构距造波端约300 m，距出流边界725 m。总计算时间取104 s，使得波浪在计算时间内出流边界反射波未传播至结构后方，减小反射波的影响。
首先采用Solid-Works建立结构的三维模型，保存为STL格式，再将建好的模型导入到Flow-3D中并放置在上述波浪水槽中的预定位置，进行网格的划分。网格划分方法为：在X方向上将水槽分为两部分，分界处距造波边界450 m。第一部分网格划分较密，同时在结构附近进一步加密网格，网格数800个；第二部分网格划分稀疏，网格数为600个。水槽Y方向取18 m，第一部分网格在结构附近加密，网格划分41个；第二部分网格划分23个。水槽高度为37 m，在波高范围内划分20个网格，两部分网格划分均为90个。各方向均采用不均匀网格划分，结构附近网格划分见图2，网格划分后的结构见图3。
2-a XZ平面2-b YZ平面图3 波浪水槽中的靠船墩图2 结构附近网格划分Fig.2 The mesh generation near the structureFig.3 The pile-gravity breasting dolphin in the wave flume
图4 潜式沉箱-群桩-平台型复合结构示意图Fig.4 Submersible caisson-pile group-platform composite structure diagram
2.3 三维数值波浪水槽验证
利用郭传胜[9]的物模试验验证Flow-3D建立数值水槽在模拟波浪对桩基-重力式复合结构靠船墩作用的正确性。
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2.3.1 模型的建立
数值水槽模型采用与物模试验相同的模型尺寸。靠船墩的墩台主体尺寸为50 cm×30 cm×6 cm，其中迎浪高度为10 cm，背浪侧高度为6 cm；群桩按波浪来向共有3排，每排两个桩，其中迎浪测两根桩的直径为5 cm，桩长32 cm；其他桩直径为4 cm，桩长36 cm；沉箱尺寸为50 cm×30 cm×30 cm。物模试验中水深为0.483 m，入射波高0.12 m，波周期1.69 s。数值波浪水槽尺寸为26 m×0.34 m×0.75 m，X方向为波浪传播方向，长26 m，结构距造波端约7 m，距出流边界15.5 m。总计算时间取18 s。图4为复合结构示意图。
2.3.2 结果对比验证
图5 波面历时曲线图Fig.5 The curve of the wave surface with time图6 波浪总力历时曲线图Fig.6 The curve of wave pressure with time
图7 复合结构测点位置布置图Fig.7 Layout of measuring points of composite structure
图5和图6分别是距结构3.5 m处无因次化波面历时曲线和所受水平波浪总力历时曲线。从图中可以看出数值模拟与物模试验结果相吻合。
