跨海大桥深水桥墩波浪效应研究

论文摘要

跨海大桥中水下墩柱结构由于所处环境的复杂性,虽然刚度比较大,但是在波浪、波流、地震以及飓风等海上动力荷载作用下容易产生较大的动力响应,长期频繁的作用会导致结构引起疲劳损伤甚至破坏。因此,对水下墩柱结构受到波浪和水流等海洋环境荷载作用下的研究就显得十分重要,对水下墩柱结构的设计乃至建成后的安全运营都有着重要的现实意义。本文从跨海大桥桥墩所处环境的特殊性出发,首先基于波浪理论和波浪力的计算方法,对不同尺寸和形状的墩柱的波浪力计算方法进行了比较,然后运用验证过的CDF数值计算的方法对不同形式的墩柱以及不同参数的波浪分别进行了数值计算,并进行了规律性的总结,最后分别模拟了均匀流和波流联合对圆形墩柱的作用并对墩柱的响应进行了分析,主要研究内容如下：1.论文在分析了该课题的研究背景和现实意义的基础上,对国内外波浪和波流对结构作用的相关理论以及在波浪和波流共同作用下对水中墩式结构动力响应的相关研究进行了归纳和总结,并针对不同尺寸和不同形状的墩柱所采用的波浪力计算方法进行了比较。2.提出了基于CFD的墩柱波浪力数值计算方法,为验证CFD计算方法的准确性,分别把CFD对于小直径墩柱的计算结果与莫里森公式的解析解进行了对比。在实验条件缺乏的前提下,利用现有文献中的实验测得的数据跟CFD数值计算的结果进行对比,以此来验证数值求解方法的准确性。3.用CFD数值计算法对作用于不同形状的大尺寸墩柱上的波浪力进行了计算分析,首先在模型网格划分时,以4m圆形墩柱模型为例,通过加密计算域的网格进行波浪力的计算,根据计算结果来验证网格的变化对于计算结果精度的影响,通过观察数值计算后的波浪力时程图,得到了墩柱上波浪力跟波浪周期之间的变化规律；然后,通过改变模型的形状,以4m×4m的方形墩柱来进行波浪力的计算并与圆形墩柱进行对比得出波浪力的变化规律；接下来,通过改变波长和波高两个波浪参数分别来分析两个参数变化后波浪力的变化规律并得到其对波浪力大小的影响程度；再次,为了研究波浪力在墩柱垂直方向的分布规律,分别求出墩柱上不同位置上的波浪力绘成变化图,并分析得到波浪力在墩柱垂直方向上的分布规律；最后,通过计算出来的波浪力来进行不同墩柱上的结构动力响应分析。4.分析了均匀水流作用下的圆形墩柱绕流及涡激振动,研究了波浪与大尺度圆形墩柱作用产生的绕射、反射现象；基于标准k-ε湍流模型,分别对大圆形墩柱采用二维数值模拟和三维数值模拟的方法,对在一定流速下圆形墩柱中间深度平面上的绕流流场的压力分布和速度分布进行了分析；对水流作用下圆形墩柱尾流区涡旋发展的一个周期的过程进行了描述,探讨了均匀水流作用下水中墩柱结构动力响应规律；最后通过数值计算得出了均匀水流对圆形墩柱作用力值以及在墩柱上的分布规律。5.对圆形墩柱在波浪和均匀水流的联合作用下的流场变化特点进行了研究,首先探讨了波流联合作用的方法和机理；然后对波流联合作用下圆形墩柱不同深度上的绕流流场的压力分布和速度分布进行比较分析；最后通过数值计算得到了波流联合作用的最大波流力,并与波浪和水流分别作用的最大波浪力叠加值大小进行比较、分析了原因,同时也求得了大直径圆形墩柱的最大变形和应力值。最后,在对全文研究工作的基础上作了深入的总结并提出了本文的创新点,也对需要进一步深入开展的工作进行了说明。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 波浪理论的发展和研究现状
• 1.2.2 波浪荷载的发展研究现状
• 1.2.3 波浪荷载对深水桥墩作用的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 波浪理论及墩柱结构波浪力计算方法研究
• 2.1 波浪的概述
• 2.1.1 波浪的定义
• 2.1.2 波浪的基本构成要素
• 2.1.3 波浪的分类
• 2.2 波浪力的计算理论
• 2.2.1 线性波理论
• 2.2.2 有限振幅的势波理论
• 2.2.3 椭圆余弦波理论（Cnoidal波理论）
• 2.2.4 孤立波理论（Solitary波理论）
• 2.2.5 波浪力计算理论的比较
• 2.3 墩柱结构波浪力的计算方法
• 2.3.1 小直径管柱的波浪力计算
• 2.3.1.1 规则波对小直径孤立圆形墩柱的作用力
• 2.3.1.2 规则波对小直径孤立方形墩柱上的作用力
• 2.3.2 大尺度墩柱的波浪力计算
• 2.3.2.1 规则波对孤立大直径圆柱墩的作用力
• 2.3.2.2 规则波对孤立大尺度方形墩柱的作用力
• 2.3.2.3 方柱与圆柱的波浪力比较
• 2.4 本章小结
• 第3章 墩柱波浪力的CFD数值计算方法
• 3.1 CFD数值计算方法介绍
• 3.2 CFD数值计算方法与理论方法的比较
• 3.2.1 模型计算参数设置
• 3.2.2 波浪与小圆形墩柱墩的作用
• 3.2.3 波浪力的数值计算分析
• 3.2.4 结果对比分析
• 3.3 CFD数值计算方法跟实验方法的比较
• 3.3.1 模型计算参数设置
• 3.3.2 波浪与小圆形墩柱的作用
• 3.3.3 波浪力的数值计算分析
• 3.3.4 结果对比分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 三维波浪对大尺度墩柱作用的数值研究
• 4.1 波浪与大直径圆墩的相互作用研究
• 4.1.1 大直径圆形墩柱模型计算分析
• 4.1.1.1 计算参数设置
• 4.1.1.2 波浪与圆形墩柱作用
• 4.1.1.3 大直径圆墩上波浪力分析
• 4.1.1.4 大直径圆墩在深度上波浪力的分布规律
• 4.1.1.5 网格划分原则分析
• 4.2 波浪与大尺寸方墩的相互作用研究
• 4.2.1 方形墩柱模型计算分析
• 4.2.1.1 计算参数设置
• 4.2.1.2 波浪与方形墩柱的作用
• 4.2.1.3 作用于方形墩柱上波浪力分析
• 4.2.1.4 波浪力在桥墩深度上的分布规律
• 4.3 波浪参数对波浪力影响的研究
• 4.3.1 波长对波浪力的影响
• 4.3.2 波高对波浪力的影响
• 4.4 波浪力作用下的墩柱的结构响应分析
• 4.4.1 波峰作用时大圆形墩柱的响应分析
• 4.4.2 波谷作用时大圆形墩柱的响应分析
• 4.4.3 波峰作用时小圆形墩柱的响应分析
• 4.4.4 波谷作用时小圆形墩柱的响应分析
• 4.4.5 波峰作用时方形墩柱的响应分析
• 4.4.6 波谷作用时方形墩柱的响应分析
• 4.4.7 波浪与墩柱作用的模态分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 均匀流与圆形墩柱作用的数值研究
• 5.1 概述
• 5.2 圆形墩柱绕流及涡激振动现象
• 5.3 均匀流场作用下圆形墩柱的流场分析
• 5.3.1 湍流计算模型
• 5.3.2 基于湍流模型的圆形墩柱绕流二维数值仿真
• 5.3.3 基于湍流模型的圆形墩柱绕流三维数值仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 波流联合作用与圆形墩柱的数值研究
• 6.1 概述
• 6.2 波流与结构相互作用的研究方法
• 6.3 波流联合作用与圆形墩柱的数值计算
• 6.3.1 大直径圆形墩柱波流作用下数值分析
• 6.3.2 大直径圆形墩柱波流力的数值求解
• 6.3.3 大直径圆形墩柱波流力作用下的结构响应
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 进一步解决的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕博士学位期间发表论文