第57卷第1期 大连理工大学学报 2017年1月 Journal of Dalian University of Technology Jan.2017 资深教授学术论文专栏豢 文章编号:1000-8608(2017)01-0105-06 势虑地震、波浪和海流作用的跨海桥梁结构研究进展 柳春光“12,张士博 (1.大连理工大学建设工程学部工程抗震研究所,辽宁大连116024 2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024) 摘要:随着我国经济建设的快速发展,近几十年来大型的跨海桥梁工程结构不断涌现,服役 期内跨海大桥可能同时承受风、波浪、海流、海冰、潮汐和地震等其中的几种联合作用,有关此 方面的理论、数值和试验研究还比较缺乏,主要对近年来跨海桥梁结构在承受波浪、海流、地 震单独或联合作用下的理论、数值、试验研究与进展进行了综述,并对桥粱结构考虑波浪、海 流作用的水下振动台试验的发展进行了展望 关键词:跨海桥梁;波流力;动水压力;流固耦合;水下振动 中图分类号:TU318.1文献标识码:Adoi:10.751l/dlxb201701015 0引言 径桩柱上波浪力的莫里森方程,由于其简单的形 近年来我国跨海桥梁的建设速度呈现空前式和明确的物理意义,被研究领域和工程设计沿 增长的趋势,苏通大桥、杭州湾大桥和青岛海湾大 用至今.对于波流共存场中的单桩而言,合理地确 桥等跨海大桥已投入使用,港珠澳大桥即将建设定水动力系数C和Cm是采用莫里森方程计算 完工,琼州海峡跨海大桥已进入可行性建设方案波流力的关键影响水动力系数的因素较多且复 论证阶段,我国高速公路网规划方案中的台湾海杂,公式中的Cd和C很难从理论推导得到,国 峡和渤海海峡等规模更大的跨海通道工程,不同内外研究者通过原型观测资料和试验研究获得水 程度地进行着前期探索和研究工作 动力系数的变化规律. Wolfram等[2利用两种尺 与陆地桥梁所处的自然条件相比,跨海桥梁度圆柱在纯波浪和波流共同作用下的横向力试验 所处的海洋环境更为恶劣和复杂,其服役期内要数据,采用6种时域方法和4种频域方法得到了 承受多种时变自然荷载(波浪、海流和地震等)共水动力系数Ca和Cm任佐皋基于波流场中的 同激励下的多重冲击作用.鉴于我国建设的跨海线性波浪理论和模型试验,提出了在同向波流场 桥梁时间较短,在理论和经验上的知识储备都显中孤立桩相对速度力系数的计算公式,并根据模 得比较缺乏 型试验数据,采用最小二乘原理进行回归得到阻 本文首先介绍跨海桥梁基础波流力研究进力系数和惯性力系数李玉成等3研究了垂直圆 展,然后介绍跨海桥梁地震动水效应研究进展,接柱在稳定流分别于规则波和不规则波共同作用下 下来介绍跨海桥梁结构考虑地震、波浪、海流作用的受力问题,并采用莫里森方程和线性波浪理论 的研究进展,最后讨论跨海桥梁结构考虑地震、波分析垂直桩柱在波流共存场的波流力.同时,对垂 浪、海流作用的若干有待研究的问题 直方柱[在波(规则波与不规则波)流场中的波流 1跨海桥梁基础波流力研究进展 力采用扩展的莫里森方程计算 如何合理确定倾斜杆件上的水动力系数,截 20世纪50年代, Morison等提出计算小直止到目前尚存在问题.滕斌等[将修正互谱法应 基金项目:“九七三”国家重点基础研究发展计划资助项目(2011CB013605-4);国家自然科学基金资助项目(51678107);辽宁省优秀 人才基金资助项目(2014020012);高等学校博士学科点博导专项科研基金资助项目(20130041110036) 作者简介:柳春光(1964-),男,博士,教授,博士生导师,E-mail:liucg@dut.edu.cn;张土博(1978-),男,博士生,E-mail3 drzhang0102-(@163.com
第57卷第1期 2017年1月 大 连 理 工 大 学 学 报 JournalofDalianUniversityofTechnology Vol.57, No.1 Jan.2 0 1 7 资深教授学术论文专栏 文章编号:1000-8608(2017)01-0105-06 考虑地震、波浪和海流作用的跨海桥梁结构研究进展 柳 春 光*1,2, 张 士 博1 (1.大连理工大学 建设工程学部 工程抗震研究所,辽宁 大连 116024; 2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024) 摘要:随着我国经济建设的快速发展,近几十年来大型的跨海桥梁工程结构不断涌现,服役 期内跨海大桥可能同时承受风、波浪、海流、海冰、潮汐和地震等其中的几种联合作用,有关此 方面的理论、数值和试验研究还比较缺乏.主要对近年来跨海桥梁结构在承受波浪、海流、地 震单独或联合作用下的理论、数值、试验研究与进展进行了综述,并对桥梁结构考虑波浪、海 流作用的水下振动台试验的发展进行了展望. 关键词:跨海桥梁;波流力;动水压力;流固耦合;水下振动台 中图分类号:TU318.1 文献标识码:A doi:10.7511/dllgxb201701015 收稿日期:2016-05-26; 修回日期:2016-11-30. 基金项目:“九七三”国家重点基础研究发展计划资助项目(2011CB013605-4);国家自然科学基金资助项目(51678107);辽宁省优秀 人才基金资助项目(2014020012);高等学校博士学科点博导专项科研基金资助项目(20130041110036). 作者简 介:柳 春 光* (1964-),男,博 士,教 授,博 士 生 导 师,E-mail:liucg@dlut.edu.cn;张 士 博 (1978-),男,博 士 生,E-mail: drzhang0102-@163.com. 0 引 言 近年来,我国跨海桥梁的建设速度呈现空前 增长的趋势,苏通大桥、杭州湾大桥和青岛海湾大 桥等跨海大桥已投入使用,港珠澳大桥即将建设 完工,琼州海峡跨海大桥已进入可行性建设方案 论证阶段,我国高速公路网规划方案中的台湾海 峡和渤海海峡等规模更大的跨海通道工程,不同 程度地进行着前期探索和研究工作. 与陆地桥梁所处的自然条件相比,跨海桥梁 所处的海洋环境更为恶劣和复杂,其服役期内要 承受多种时变自然荷载(波浪、海流和地震等)共 同激励下的多重冲击作用.鉴于我国建设的跨海 桥梁时间较短,在理论和经验上的知识储备都显 得比较缺乏. 本文首先介绍跨海桥梁基础波流力研究进 展,然后介绍跨海桥梁地震动水效应研究进展,接 下来介绍跨海桥梁结构考虑地震、波浪、海流作用 的研究进展,最后讨论跨海桥梁结构考虑地震、波 浪、海流作用的若干有待研究的问题. 1 跨海桥梁基础波流力研究进展 20世纪50年代,Morison等[1]提出计算小直 径桩柱上波浪力的莫里森方程,由于其简单的形 式和明确的物理意义,被研究领域和工程设计沿 用至今.对于波流共存场中的单桩而言,合理地确 定水动力系数Cd 和 Cm 是采用莫里森方程计算 波流力的关键.影响水动力系数的因素较多且复 杂,公式中的 Cd 和 Cm 很难从理论推导得到,国 内外研究者通过原型观测资料和试验研究获得水 动力系数的变化规律.Wolfram 等[2]利用两种尺 度圆柱在纯波浪和波流共同作用下的横向力试验 数据,采用6种时域方法和4种频域方法得到了 水动力系数Cd 和Cm.任佐皋[3]基于波-流场中的 线性波浪理论和模型试验,提出了在同向波-流场 中孤立桩相对速度力系数的计算公式,并根据模 型试验数据,采用最小二乘原理进行回归得到阻 力系数和惯性力系数.李玉成等[4-5]研究了垂直圆 柱在稳定流分别于规则波和不规则波共同作用下 的受力问题,并采用莫里森方程和线性波浪理论 分析垂直桩柱在波流共存场的波流力.同时,对垂 直方柱[6]在波(规则波与不规则波)流场中的波流 力采用扩展的莫里森方程计算. 如何合理确定倾斜杆件上的水动力系数,截 止到目前尚存在问题.滕斌等[7]将修正互谱法应
大连理工大学学报 第57卷 用于水流与不规则波共同作用下倾斜桩柱上受力响应进行了计算和分析赖伟等[对地震下圆柱 系数的计算.李玉成等采用莫里森方程和斯托形桥墩上的动水压力,提出了一种半解析半数值 克斯二阶波浪理论,分别研究了不同埋深水平桩的方法.高学奎等[在简化的莫里森方程的基础 和倾斜桩在倾角不同情况下的受力及水动力系数上,采用附加水质量考虑水的影响,提出在抗震设 Ca、Cm随Kc数的变化规律. Sundar等通过对计时采用相对水深来决定是否需要考虑地震动水 正向和逆向波浪作用下倾斜桩柱的试验研究,采压力.柳春光等明对莫里森方程进行了修正,并 用最小二乘法得到不同倾角情况下倾斜桩柱的阻采用Airy波浪理论对某一跨海大桥深水桥墩进 力系数和惯性力系数随Kc数的变化 行地震作用下的非线性动力分析 跨海桥梁桩基础多以群桩结构的形式出现, 桥梁结构在地震作用时的波动场与莫里森方 不仅相当庞大和复杂,而且呈现出典型的三维特程基本假设和水动力要素不符合,目前比较现实 性,同时还要面临波流共存的复杂自然条件,波流的办法就是搞清楚应用莫里森方程计算桥梁结构 间的相互作用将影响各自的传播特性目前分析动水压力的适用范围及如何进行修正以减少其计 群桩上波流力主要有两种方法:一是利用莫里森算误差 方程和群桩的水动力系数直接计算各组成桩上的2.2有限元方法 波流力. Chakrabartil通过试验分析了垂直桩群 桥梁在地震作用时,下部结构与其接触的流 在规则波作用下水动力系数Cd、Cm随桩距和Kc体之间的运动相互影响,具有典型的流固耦合作 数的变化规律.二是利用单桩上的波流力乘以相用,是一个非常复杂的动力耦合作用问题 应的群桩系数计算各组成桩上的波流力.李玉成 Banerjee等[对处于地震和洪水联合作用下的桥 等〔通过实验研究了串列、并列双桩在不规则梁结构进行了研究.郑史雄21根据流固耦合作用 波和水流共同作用下所受的波流力,并给出群桩理论,建立了考虑受周围水体作用的深水桥墩有 系数随Kc数和相对桩距的变化规律 限元模型,分析了桥墩在地震激励下,流固耦合作 由于波流对桩柱的非线性作用,且跨海桥梁用对其墩身内力和墩顶位移等影响.魏凯等[21针 桩基础多采用群桩结构,鉴于目前理论分析和数对桥梁水下桩基础结构进行了试验研究和数值模 值模拟还不成熟,采用物理模型试验方法更有实拟,通过二者的互相验证,更好地了解流固耦合对 际的借鉴意义.我国已建[1和在建的大型跨深水桥梁结构水下桩基础动力响应的作用机理 海桥梁工程,主要还是通过物理模型试验来确定 流固耦合是处于静水中桥梁结构在地震激励 桥梁基础波流力 下动力响应的重要特征,也是该领域应用流固耦 合力学的环节 2跨海桥梁地震动水效应研究进2.3桥梁水下振动台试验硏究进展 桥梁结构处于静止的流场时,当因地震作用 桥梁水下振动台试验可以为桥梁结构物理模 振动时,将产生一个以桥梁结构为中心向外辐射型理论分析和工程设计提供可靠的数据和信息支 的波浪运动,同时流体又会以动水压力的形式反撑.赖伟等[以平潭海峡大桥引桥桥墩为工程背 作用于桥梁结构,桥梁结构与其接触的流体的耦景,设计了长度相似比为1/30的试验模型,进行 合作用是一个非常复杂的动力耦合作用问题.目了桥梁-桩基础的水下振动台试验.宋波等2 前主要有两种考虑流体结构动力相互作用的方南京长江三桥中的桥塔下部结构为工程背景,设 法:附加质量法和有限元方法 计了几何比尺为1/50的缩尺模型,进行了无水和 2.1附加质量法 有水两种状态振动台试验.Liu等[2以杭州湾北 跨海桥梁结构在地震作用下的动力响应冋題航道桥辅助墩墩身及基础为原型,按照1/32桩的 中需要考虑流体-结构的相互作用.目前,国内外相似比尺设计桩墩模型,进行了深水桩墩结构水 研究者主要采用简化或改进的莫里森方程来表述下振动台试验 水体对桥梁结构的动水压力作用. Yamada等1 由于水下振动台的条件限制,截止到目前,水 采用修正莫里森方程计算因海浪引起的动水压下振动台试验研究仅考虑辐射波浪和地震激励的 力,对地震和海浪激励下近海桩柱结构上的动力联合作用
用于水流与不规则波共同作用下倾斜桩柱上受力 系数的计算.李玉成等[8]采用莫里森方程和斯托 克斯二阶波浪理论,分别研究了不同埋深水平桩 和倾斜桩在倾角不同情况下的受力及水动力系数 Cd、Cm 随 Kc数的变化规律.Sundar等[9]通过对 正向和逆向波浪作用下倾斜桩柱的试验研究,采 用最小二乘法得到不同倾角情况下倾斜桩柱的阻 力系数和惯性力系数随 Kc数的变化. 跨海桥梁桩基础多以群桩结构的形式出现, 不仅相当庞大和复杂,而且呈现出典型的三维特 性,同时还要面临波流共存的复杂自然条件,波流 间的相互作用将影响各自的传播特性.目前分析 群桩上波流力主要有两种方法:一是利用莫里森 方程和群桩的水动力系数直接计算各组成桩上的 波流力.Chakrabarti [10]通过试验分析了垂直桩群 在规则波作用下水动力系数Cd、Cm 随桩距和 Kc 数的变化规律.二是利用单桩上的波流力乘以相 应的群桩系数计算各组成桩上的波流力.李玉成 等[11-12]通过实验研究了串列、并列双桩在不规则 波和水流共同作用下所受的波流力,并给出群桩 系数随 Kc数和相对桩距的变化规律. 由于波流对桩柱的非线性作用,且跨海桥梁 桩基础多采用群桩结构,鉴于目前理论分析和数 值模拟还不成熟,采用物理模型试验方法更有实 际的借鉴意义.我国已建[13-14]和在建[15]的大型跨 海桥梁工程,主要还是通过物理模型试验来确定 桥梁基础波流力. 2 跨海桥梁地震动水效应研究进展 桥梁结构处于静止的流场时,当因地震作用 振动时,将产生一个以桥梁结构为中心向外辐射 的波浪运动,同时流体又会以动水压力的形式反 作用于桥梁结构,桥梁结构与其接触的流体的耦 合作用是一个非常复杂的动力耦合作用问题.目 前主要有两种考虑流体-结构动力相互作用的方 法:附加质量法和有限元方法. 2.1 附加质量法 跨海桥梁结构在地震作用下的动力响应问题 中需要考虑流体-结构的相互作用.目前,国内外 研究者主要采用简化或改进的莫里森方程来表述 水体对桥梁结构的动水压力作用.Yamada等[16] 采用修正莫里森方程计算因海浪引起的动水压 力,对地震和海浪激励下近海桩柱结构上的动力 响应进行了计算和分析.赖伟等[17]对地震下圆柱 形桥墩上的动水压力,提出了一种半解析半数值 的方法.高学奎等[18]在简化的莫里森方程的基础 上,采用附加水质量考虑水的影响,提出在抗震设 计时采用相对水深来决定是否需要考虑地震动水 压力.柳春光等[19]对莫里森方程进行了修正,并 采用 Airy波浪理论对某一跨海大桥深水桥墩进 行地震作用下的非线性动力分析. 桥梁结构在地震作用时的波动场与莫里森方 程基本假设和水动力要素不符合,目前比较现实 的办法就是搞清楚应用莫里森方程计算桥梁结构 动水压力的适用范围及如何进行修正以减少其计 算误差. 2.2 有限元方法 桥梁在地震作用时,下部结构与其接触的流 体之间的运动相互影响,具有典型的流固耦合作 用,是 一 个 非 常 复 杂 的 动 力 耦 合 作 用 问 题. Banerjee等[20]对处于地震和洪水联合作用下的桥 梁结构进行了研究.郑史雄[21]根据流固耦合作用 理论,建立了考虑受周围水体作用的深水桥墩有 限元模型,分析了桥墩在地震激励下,流固耦合作 用对其墩身内力和墩顶位移等影响.魏凯等[22]针 对桥梁水下桩基础结构进行了试验研究和数值模 拟,通过二者的互相验证,更好地了解流固耦合对 深水桥梁结构水下桩基础动力响应的作用机理. 流固耦合是处于静水中桥梁结构在地震激励 下动力响应的重要特征,也是该领域应用流固耦 合力学的环节. 2.3 桥梁水下振动台试验研究进展 桥梁水下振动台试验可以为桥梁结构物理模 型理论分析和工程设计提供可靠的数据和信息支 撑.赖伟等[23]以平潭海峡大桥引桥桥墩为工程背 景,设计了长度相似比为1/30的试验模型,进行 了桥梁-桩基础的水下振动台试验.宋波等[24]以 南京长江三桥中的桥塔下部结构为工程背景,设 计了几何比尺为1/50的缩尺模型,进行了无水和 有水两种状态振动台试验.Liu等[25]以杭州湾北 航道桥辅助墩墩身及基础为原型,按照1/32桩的 相似比尺设计桩墩模型,进行了深水桩墩结构水 下振动台试验. 由于水下振动台的条件限制,截止到目前,水 下振动台试验研究仅考虑辐射波浪和地震激励的 联合作用. 106 大 连 理 工 大 学 学 报 第57卷
第1期 柳春光等:考虑地震、波浪和海流作用的跨海桥梁结构研究进展 107 法进行归纳总结 3跨海桥梁结构考虑地震、波浪、海 3.3.1小尺度桩柱结构上波浪力、动水压力和波 流作用的研究进展 流力计算对于小直径桩柱上所受波浪力和动水 3.跨海桥梁结构考虑地震、波浪共同作用的硏压力,普遍采用莫里森方程或修正莫里森方程进 究进展 行计算 近几十年来,国内外一些专家学者对处于水 (1)作用于小直径桩柱上的波浪力 中的海洋结构在地震和波浪联合作用下的动力反 D- 应问题进行了一定的研究. Yamada等[20以 Kanai Fl y i+Cmp4u-i)+ 功率谱模拟强震, Bretschneider能量波谱模拟随 CapD( -i)l-i I 机海浪,采用频域随机振动法分析了海洋结构的式中:扩和立分别为结构的相对加速度和速度,P 动力响应 Karadeniz采用 JONSWAF和P.M为水的密度,D为桩直径,Cm为附加质量系数,Cd 表面波谱模拟随机波浪,采用修正 Kanai-Tajiml为阻力系数,证和i分别为流体质点水平运动加 地震加速度谱模拟随机地震,分析了三维海洋钢速度和速度 结构模型在深水波浪环境下受地震激励的谱分 (2)作用于小直径桩柱上的动水压力 析.李忠献等2利用辐射波浪理论求解桥墩地震 当处于静水中的小尺度桩柱在地震作用下沿 动水压力,并采用绕射波浪理论考虑波浪作用,对 水平方向运动时,由于莫里森方程假定桩柱存在 深水桥梁分别进行了地震、波浪、地震和波浪联合不影响原有波浪场的运动,结构运动不会改变原 作用下的桥梁动力响应分析 有水的状态,即式(1)中的i==0.地震作用 上述文献对流体影响的简单化处理,忽略了时,桩柱上所受的动水压力为 处于海洋环境中的桥梁桩基础由于地震的激励产 生的辐射波浪对绕射波流场的影响 C4pDx||(2) 3.2跨海桥梁结构考虑地震、波浪和海流共同作 般情况下,式(2)中的附加惯性力与动水阻 用的研究进展 力相比较大,可以忽略阻力项 深水桥梁群桩基础浸没水深达数十米,地震 (3)小直径桩柱上的波浪和地震联合作用力 作用下桥梁桩基结构在受激振动的同时还要承受 当地震与波浪、海流联合作用时,流体与结构 波流对其产生的动水压力的作用.目前研究跨海相互作用,在这种情况下,莫里森波浪力的计算应 桥梁结构在地震、波流共同作用下的反应文献很考虑流体与结构的相对运动因此,小直径桩柱上 少.陈国兴等[采用斯托克斯五阶波理论,将基波浪和地震联合作用力为 于莫里森方程计算所得的波浪力以分布力的形式 ID 施加于桥墩之上,分析了考虑波流作用的深水大 +Cmp"+i)]+ 型群桩桥墩结构非线性地震反应特性. Zheng lCapDti-Gieti)](,+i) 等[30利用大连理工大学地震、波浪和海流联合模 拟试验系统进行了近海风力发电机单桩基础在波 (3) 浪和地震联合作用下的缩尺模型试验研究 式中:和ig分别为地面加速度和速度 深海桥梁的群桩基础在遭遇地震时,将处于 小直径桩柱上地震和波流联合作用力为 一个由地震激励产生的辐射波浪、绕射波浪和海 Cmp[i-(+2)+ 流组合成的综合波流场.大连理工大学地震、波浪 和海流联合模拟试验系统为地震、波浪和海流环 CapDli +uc-(ig ti)X 境下桥梁结构物理模型试验研究可行性提供了技 i tui. ti) (4) 术支持 式中:i为海流沿水平方向的速度 3.3跨海桥梁结构上地震动水压力、波浪力和波3.3.2大尺度桩柱结构上波浪力和动水压力计 流力计算方法研究进展 算近海结构中除桩基外,一般尺度都较大,波浪 海洋结构波浪力和动水压力因结构尺度的大力中的惯性部分与黏性阻力部分相比较大,结构的 小不同受力特性也不同.本文对此领域的计算方存在将对入射波浪产生较大的不可忽略的影响
3 跨海桥梁结构考虑地震、波浪、海 流作用的研究进展 3.1 跨海桥梁结构考虑地震、波浪共同作用的研 究进展 近几十年来,国内外一些专家学者对处于水 中的海洋结构在地震和波浪联合作用下的动力反 应问题进行了一定的研究.Yamada等[26]以Kanai 功率谱模拟强震,Bretschneider能量波谱模拟随 机海浪,采用频域随机振动法分析了海洋结构的 动力响应.Karadeniz [27]采用JONSWAP 和 P.M 表面波谱模拟随机波浪,采用修正 Kanai-Tajiml 地震加速度谱模拟随机地震,分析了三维海洋钢 结构模型在深水波浪环境下受地震激励的谱分 析.李忠献等[28]利用辐射波浪理论求解桥墩地震 动水压力,并采用绕射波浪理论考虑波浪作用,对 深水桥梁分别进行了地震、波浪、地震和波浪联合 作用下的桥梁动力响应分析. 上述文献对流体影响的简单化处理,忽略了 处于海洋环境中的桥梁桩基础由于地震的激励产 生的辐射波浪对绕射波流场的影响. 3.2 跨海桥梁结构考虑地震、波浪和海流共同作 用的研究进展 深水桥梁群桩基础浸没水深达数十米,地震 作用下桥梁桩基结构在受激振动的同时还要承受 波流对其产生的动水压力的作用.目前研究跨海 桥梁结构在地震、波流共同作用下的反应文献很 少.陈国兴等[29]采用斯托克斯五阶波理论,将基 于莫里森方程计算所得的波浪力以分布力的形式 施加于桥墩之上,分析了考虑波流作用的深水大 型群桩 桥 墩 结 构 非 线 性 地 震 反 应 特 性.Zheng 等[30]利用大连理工大学地震、波浪和海流联合模 拟试验系统进行了近海风力发电机单桩基础在波 浪和地震联合作用下的缩尺模型试验研究. 深海桥梁的群桩基础在遭遇地震时,将处于 一个由地震激励产生的辐射波浪、绕射波浪和海 流组合成的综合波流场.大连理工大学地震、波浪 和海流联合模拟试验系统为地震、波浪和海流环 境下桥梁结构物理模型试验研究可行性提供了技 术支持. 3.3 跨海桥梁结构上地震动水压力、波浪力和波 流力计算方法研究进展 海洋结构波浪力和动水压力因结构尺度的大 小不同受力特性也不同.本文对此领域的计算方 法进行归纳总结. 3.3.1 小尺度桩柱结构上波浪力、动水压力和波 流力计算 对于小直径桩柱上所受波浪力和动水 压力,普遍采用莫里森方程或修正莫里森方程进 行计算. (1)作用于小直径桩柱上的波浪力 F=ρ πD2 4 u ..+Cmρ πD2 4 (u ..-x ..)+ 1 2 CdρD(u .-x .)u .-x . (1) 式中:x ..和x .分别为结构的相对加速度和速度,ρ 为水的密度,D 为桩直径,Cm 为附加质量系数,Cd 为阻力系数,u ..和u .分别为流体质点水平运动加 速度和速度. (2)作用于小直径桩柱上的动水压力 当处于静水中的小尺度桩柱在地震作用下沿 水平方向运动时,由于莫里森方程假定桩柱存在 不影响原有波浪场的运动,结构运动不会改变原 有水的状态,即式(1)中的u ..=u .=0.地震作用 时,桩柱上所受的动水压力为 P=-Cmρ πD2 4 x ..- 1 2 CdρDx .x . (2) 一般情况下,式(2)中的附加惯性力与动水阻 力相比较大,可以忽略阻力项. (3)小直径桩柱上的波浪和地震联合作用力 当地震与波浪、海流联合作用时,流体与结构 相互作用,在这种情况下,莫里森波浪力的计算应 考虑流体与结构的相对运动.因此,小直径桩柱上 波浪和地震联合作用力为 F=ρ πD2 4 u ..+Cmρ πD2 4 [u ..-(x ..g+x ..)]+ 1 2 CdρD[u .-(x .g+x .)]u .-(x .g+x .) (3) 式中:x ..g 和x .g 分别为地面加速度和速度. 小直径桩柱上地震和波流联合作用力为 F=ρ πD2 4 u ..+Cmρ πD2 4 [u ..-(x ..g+x ..)]+ 1 2 CdρD[u .+u .c-(x .g+x .)]× u .+u .c-(x .g+x .) (4) 式中:u .c 为海流沿水平方向的速度. 3.3.2 大尺度桩柱结构上波浪力和动水压力计 算 近海结构中除桩基外,一般尺度都较大,波浪 力中的惯性部分与黏性阻力部分相比较大,结构的 存在将对入射波浪产生较大的不可忽略的影响. 第1期 柳春光等:考虑地震、波浪和海流作用的跨海桥梁结构研究进展 107
大连理工大学学报 第57卷 (1)直立圆柱波浪力计算 参考文献: 对于大尺度柱结构,在实际工程中通常采用 MacCamy基于绕射理论得到波浪绕射的解析解,[1] MORISON J R, JoHNSON J W, SCHAAF SA 为了方便起见,也可以改写成和莫里森方程中水 et aL. The force exerted by surface waves 平惯性力项同样的形式 piles [j]. Journal of Petroleum Technology, 1950 2(5):149-154. F=O 式中:C为等效质量系数 estimation of Morison force coefficients and their predictive accuracy for very rough circular (2)直立圆柱动水压力计算 cylinders [J]. Applied Ocean Research, 1999 目前大尺度直立圆柱动水压力计算主要利用 21(6):311-328. 辐射波浪理论求解赖伟{]采用辐射波浪理论对[3]任佐皋.波-流场中孤立桩柱上作用力系数的研 圆形桥墩上的动水压力提出一个半解析半数值方 究[冂].海洋学报,1985,7(4):503-512 rEn Zuogao. Hydrodynamic coefficie (3)截断圆柱波浪力计算 isolated pile due to combined wave and current [J] 波浪关于截断圆柱的绕射, Garret通过分区 Acta Oceanologica Sinica, 1985, 7(4): 503-512. (in 离散和边界匹配的方法得到了解析解 Chinese) [4]李玉成,张春蓉,规则波和水流共同作用下圆柱受 (4)截断圆柱动水压力计算 力的研究[J].水动力学研究与进展,1990,5(2) Wiliams等利用特征函数展开和匹配渐进法 58-68 对辐射波浪场速度势求解,提出了截断圆柱动水 LI Yucheng, ZHANG Chunrong. Force on cylinder 压力的求解方法 Id of regula urrent 跨海桥梁下部结构多采用群桩和承台组合形 Journal of Hydrodynamics, 1990, 5(2): 58-68. (in 式,群桩上的波浪力和动水压力可以采用3.3.1 方法,承台上的波浪力和动水压力研究文献还较 [5]李玉成,叶正凡,不规则波和流作用于圆柱上的正向 少.群桩和承台之间波动场的相互影响较复杂,目 力及横向力[].海洋学报,1991,13(6):849-859 LI Yucheng, YE Zhengfan. Posi 前还没有此方面的研究文献 horizontal force on a circular cylinder due te 4结语 combined irregular wave and current [J].Acta Oceanologica Sinica, 1991. 13(6):849-859. (in 国内外对有关跨海大桥承受波浪、海流、地震 Chinese) 等随机荷载作用已经进行了相关的试验和理论研[6]李玉成,何明,作用于小尺度方柱上的正向波浪 究,并在一些桥梁工程抗震设计中得到了参考和 力[冂.海洋学报,1996,18(3):107-120 应用.由于跨海桥梁所处的海洋环境的复杂和恶 LI Yucheng, HE Ming, Wave forces on slend 劣性,尚有许多问题待解决,需要开展以下几方面 square cylinder [J]. Acta Oceanologica Sinica 996,18(3):107-120.( in Chinese) 研究: (1)发展有效的跨海大桥群桩-承台组合基础〖刁]滕斌,李玉成·不规则波流作用下斜桩上受力系 数的确定方法[J].大连理工大学学报,1990 结构波流力数值模拟技术和理论研究 30(6):715-722 (2)流固耦合法在深水桥梁地震激励下的动 TENG Bin, LI Yucheng. Determination of force 力响应研究方面还需要完善控制方程选择、网格 coefficients of inclined cylinder in irregular wave and 运动的控制、地震动初始条件的确定、流固耦合算 current field [J]. Journal of Dalian University of 法的选定问题 Technology, 1990, 30(6): 715-722. (in Chinese) 3)进行跨海桥梁在地震、波浪和海流多重激[8]李玉成,康海贵,费勤浩.规则波作用下傾斜桩柱的 受力研究[].水动力学研究与进展,1992,7(1): 励作用下的动力试验,为近海桥梁在地震、波浪和 海流多种自然荷载联合作用下的理论研究提供可 LI Yucheng, KANG Haigui, FEI Qinhao. Wave 靠的数据和信息支撑 forces on inclined cylinder in regular waves [J]
(1)直立圆柱波浪力计算 对于大尺度柱结构,在实际工程中通常采用 MacCamy基于绕射理论得到波浪绕射的解析解, 为了方便起见,也可以改写成和莫里森方程中水 平惯性力项同样的形式: F=C'mρ πD2 4 u .. (5) 式中:C'm 为等效质量系数. (2)直立圆柱动水压力计算 目前大尺度直立圆柱动水压力计算主要利用 辐射波浪理论求解,赖伟[31]采用辐射波浪理论对 圆形桥墩上的动水压力提出一个半解析半数值方 法. (3)截断圆柱波浪力计算 波浪关于截断圆柱的绕射,Garret通过分区 离散和边界匹配的方法得到了解析解. (4)截断圆柱动水压力计算 Wiliams等利用特征函数展开和匹配渐进法 对辐射波浪场速度势求解,提出了截断圆柱动水 压力的求解方法. 跨海桥梁下部结构多采用群桩和承台组合形 式,群桩上的波浪力和动水压力可以采用3.3.1 方法,承台上的波浪力和动水压力研究文献还较 少.群桩和承台之间波动场的相互影响较复杂,目 前还没有此方面的研究文献. 4 结 语 国内外对有关跨海大桥承受波浪、海流、地震 等随机荷载作用已经进行了相关的试验和理论研 究,并在一些桥梁工程抗震设计中得到了参考和 应用.由于跨海桥梁所处的海洋环境的复杂和恶 劣性,尚有许多问题待解决,需要开展以下几方面 研究: (1)发展有效的跨海大桥群桩-承台组合基础 结构波流力数值模拟技术和理论研究. (2)流固耦合法在深水桥梁地震激励下的动 力响应研究方面还需要完善控制方程选择、网格 运动的控制、地震动初始条件的确定、流固耦合算 法的选定问题. (3)进行跨海桥梁在地震、波浪和海流多重激 励作用下的动力试验,为近海桥梁在地震、波浪和 海流多种自然荷载联合作用下的理论研究提供可 靠的数据和信息支撑. 参考文献: [1] MORISONJR,JOHNSONJ W,SCHAAFSA, etal.The force exerted by surface waves on piles[J].JournalofPetroleum Technology,1950, 2(5):149-154. [2] WOLFRAM J, NAGHIPOUR M. On the estimationof Morisonforcecoefficientsandtheir predictive accuracy for very rough circular cylinders[J]. Applied Ocean Research, 1999, 21(6):311-328. [3] 任 佐 皋.波-流 场 中 孤 立 桩 柱 上 作 用 力 系 数 的 研 究[J].海洋学报,1985,7(4):503-512. REN Zuogao. Hydrodynamic coefficients for a isolatedpileduetocombinedwaveandcurrent[J]. ActaOceanologicaSinica,1985,7(4):503-512.(in Chinese) [4] 李玉成,张春蓉.规则波和水流共同作用下圆柱受 力的研究[J].水动力学研究与进展,1990,5(2): 58-68. LIYucheng,ZHANGChunrong.Forceoncylinder coexistingfieldofregularwavesandcurrents [J]. JournalofHydrodynamics,1990,5(2):58-68.(in Chinese) [5] 李玉成,叶正凡.不规则波和流作用于圆柱上的正向 力及横向力[J].海洋学报,1991,13(6):849-859. LI Yucheng, YE Zhengfan.Positive force and horizontalforce on a circular cylinder due to combinedirregular wave and current [J].Acta OceanologicaSinica,1991,13(6):849-859. (in Chinese) [6] 李玉成,何 明.作用于小尺度方柱上的正向波浪 力[J].海洋学报,1996,18(3):107-120. LIYucheng,HE Ming.Waveforcesonslender square cylinder [J]. Acta Oceanologica Sinica, 1996,18(3):107-120.(inChinese) [7] 滕 斌,李玉成.不规则波流作用下斜桩上受力系 数的 确 定 方 法 [J].大 连 理 工 大 学 学 报,1990, 30(6):715-722. TENG Bin,LI Yucheng.Determination offorce coefficientsofinclinedcylinderinirregularwaveand currentfield [J].JournalofDalian Universityof Technology,1990,30(6):715-722.(inChinese) [8] 李玉成,康海贵,费勤浩.规则波作用下倾斜桩柱的 受力研究[J].水动力学研究与进展,1992,7(1): 85-100. LIYucheng,KANG Haigui,FEI Qinhao.Wave forcesoninclinedcylinderinregular waves [J]. 108 大 连 理 工 大 学 学 报 第57卷
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