论文题目: 波浪与海床、结构物相互作用的数值模拟
论文类型: 博士论文
论文专业: 港口,海岸及近海工程
作者: 韩涛
导师: 秦崇仁,张庆河
关键词: 数值波浪水槽,海床,液化,畸形波,结构响应,耦合
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 在港口、海岸及近海工程中,波浪作用下的海床和结构物响应是涉及海床本身和建筑物稳定性的重要研究课题。建立波浪与海床、波浪与结构物以及波浪与海床和结构物的耦合作用模型是研究上述课题的重要途径。为此,本文建立了波浪与海床、结构物耦合作用的数值模型,研究了波浪作用下海床响应、波浪作用下结构物响应以及波浪作用下的海床和结构物响应。论文的具体研究内容和结论如下:(1)建立了基于准样条元的二维边界元法数值波浪水槽,数值模拟结果和孤立波、椭圆余弦波、正弦波的理论解比较表明,本文建立的二维波浪水槽具有较高的精度,可以很好地模拟各种波浪。(2)采用有限元法建立了波浪作用下海床动力响应的二维模型,通过数值求解Biot固结方程来模拟波浪作用下,海床孔隙水压力的变化。通过数值解和实验结果以及解析解的比较,验证了模型的可靠性,表明模型可以用于波浪作用下海床响应的模拟。(3)通过数值波浪水槽和海床响应模型的边界耦合,建立了波浪与海床相互作用的耦合模型。模型计算结果表明,对于粗砂以下的海床,耦合影响不大。利用所建立的模型分析了直立堤前的海床响应,计算结果表明直立堤前的液化区域是固定的,在此基础上提出了防止液化的方法。另外,论文还根据波浪作用下饱和海床响应的解析解提出了液化最大深度的计算公式。(4)为了研究极端海况下的海床响应,在数值波浪水槽中模拟了畸形波的传播并通过波浪场和海床耦合模型计算了畸形波作用下有、无直立堤时的海床响应。在畸形波出现时,海床更容易发生液化,尤其是在直立堤的堤脚处,液化范围可以达到几十米,对结构物安全构成较大威胁。(5)建立了波浪与结构物相互作用的完全耦合模型,研究了波浪和板桩类结构物的相互作用,当板桩结构物的弹性模量或厚度减小时,结构的响应增大,而且结构会出现高于波浪频率的高频振动。在考虑板桩结构物后侧波浪场对结构物响应的影响时,结构的位移减小,但是在结构响应很小时,板后波浪场的影响可以忽略。(6)分析了考虑地基变形影响时畸形波作用下的结构物响应,在大部分情况下,沉箱的位移很小,基本不会发生倾覆破坏,但是板桩结构在畸形波的作用下位移很大,可能导致结构失稳。
论文目录:
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 问题的提出
1.2 国内外的研究进展
1.2.1 波浪模拟方法
1.2.2 海床在波浪作用下的响应
1.2.3 波浪引起的海床液化
1.2.4 波浪和结构物相互作用的耦合
1.2.5 畸形波的研究现状
1.3 本文的主要研究工作
第二章 数值波浪水槽模型
2.1 控制方程和边界条件
2.2 边界积分方程的离散
2.3 畸形波的造波方法
2.4 时间步进
2.5 奇异积分与角点处理
2.6 模型的验证
2.6.1 孤立波验证
2.6.2 椭圆余弦波验证
2.6.3 正弦波验证
2.7 小结
第三章 海床响应模型
3.1 控制方程和边界条件
3.1.1 方程的基本假定
3.1.2 控制方程的建立
3.1.3 边界条件
3.2 加权余量法建立固结有限元方程
3.2.1 位移与孔压模式
3.2.2 固结有限元基本方程
3.2.3 固结矩阵的改进
3.3 二维固结问题的有限元法求解过程
3.4 模型验证
3.5 小结
第四章 波浪、海床和结构物响应模型的耦合
4.1 波浪和海床模型的耦合
4.2 波浪和结构物响应模型的耦合
4.3 波浪和海床、结构物响应模型的耦合
第五章 波浪作用下的海床响应
5.1 波浪和海床模型耦合和不耦合结果的比较
5.2 立波作用下的海床液化
5.3 畸形波作用下的海床响应
5.4 畸形波作用下直立堤前的海床响应
5.5 上层土体对液化的影响
5.6 海床内最大液化深度计算
5.7 小结
第六章 波浪与结构物的相互作用
6.1 波浪与结构物相互作用概述
6.2 港口与海岸工程中使用的板桩式结构
6.3 板桩式结构动力响应的计算
6.4 规则波作用下的板桩响应
6.4.1 耦合和不耦合结果比较
6.4.2 板的弹模和厚度变化对板响应的影响
6.4.3 板后波浪场对板响应的影响
6.5 小结
第七章 考虑地基影响时畸形波作用下的结构响应
7.1 结构物和土响应时的有限元方程
7.2 有限元方程的求解
7.3 考虑地基影响时畸形波作用下的沉箱和板桩响应
7.4 小结
第八章 总结与展望
8.1 本文主要结论
8.2 研究展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢
发布时间: 2007-04-17
参考文献
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