用于圆柱型构筑物涌潮作用力计算的专用组件的制作方法

本发明涉及流体力学领域，尤其涉及圆柱型构筑物上涌潮作用力的计算方法及其专用组件。

背景技术：

涌潮是水位骤然上升的涨潮波前峰，是一定条件下潮波非线性畸变的结果。涌潮形成后，水流特性发生极大的改变。涌潮到达前后，水位骤然上涨2～3m，水流急速从落潮状态转为涨潮状态，并迅速达到极值，极值流速达6～10m/s，实测最大测点流速12m/s，比一般水流大一个量级。

涌潮对涉水建筑物的威胁很大，其作用力是桥梁、码头等基础工程设计的控制性因素。1953年海宁盐官海塘塘顶一头重1.5t的“镇海铁牛”被涌潮冲离原地十余米；石塘顶用铁锭浇连的条石，尽管每块重约400kg且呈三五相连，仍受涌潮的顶托翻越1.5m高的土埝，抛至海塘后的农田中；钱江四桥施工过程中搭设的栈桥也曾被汹涌的涌潮破坏。因此，为了确保涉水建筑物的施工与运行安全，工程界始终关心涌潮对涉水建筑物的作用以及结构响应问题。

圆柱桩是桥墩、码头等工程建筑下部结构常见的形状类型，钱塘江河口已建的复兴大桥、江东大桥、嘉绍大桥等桥墩大多采用圆柱桩。影响构筑物上涌潮作用力的因素包括涌潮高度、潮前水深、涌潮坡度、建筑物形状等。至今人们对构筑物上的涌潮作用机理认识不够清楚。目前，涌潮作用力的现场测量尚未有直接的方法，通常是借助智能数字压力传感器测量涌潮压强，继而转换成涌潮作用力，存在着费时费力、精度难以保证等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于计算圆柱型构筑物上涌潮作用力的方法及专用组件。本发明可通过现场或涌潮计算模拟极易获取的潮前水深、潮前流速、涌潮高度等基本参数，结合圆柱型构筑物直径，利用理论推导与室内试验相结合得到的公式计算涌潮冲击圆柱型构筑物时的作用力；经实测数据和试验数据验证，该组件的计算结果能较好的反映出涌潮作用力的特点，误差较小。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

用于圆柱型构筑物涌潮作用力计算的专用组件，其特征在于：包括至少一计算机、若干水文采集装置或涌潮计算模型；计算机连接水文采集装置或涌潮计算模型，并接收水文采集装置采集的水文数据或涌潮计算模型的涌潮计算数据，然后进行处理，并将处理结果以表格的形式输出。

优选的，所述水文采集装置包括：水位仪、三维声学多普勒流速仪(adv)、回声测深仪。

优选的，所述水文数据或涌潮计算数据包括：潮前水深、潮前流速、涌潮高度。

优选的，所述计算机与所述水文采集装置之间的连接方式包括缆线连接或无线电连接或光耦合连接。

所述处理包括以下步骤：

步骤一、计算涌潮传播速度

将获取的水文数据或涌潮计算数据，代入涌潮传播速度理论公式(1)，计算出涌潮传播速度c；

h1＝h0+h(2)

式中，v0为潮前流速，h0为潮前水深，h1为涌潮过后的水深，h为涌潮高度、g为重力加速度；

步骤二、计算涌潮冲击力

利用步骤一获取的涌潮传播速度，代入涌潮冲击力的计算公式(3)，计算出涌潮冲击力fi：

λ＝0.058h+0.05(4)

式中，c为涌潮传播速度，ρ为水的密度，λ为涌潮潮头坡度，d为圆柱型构筑物直径；cs为涌潮冲击系数，cs取值1.0～1.4，均值1.2；

步骤三、计算涌潮静水压差力

在涌潮冲击圆柱型构筑物时，由于潮头坡度的存在，圆柱型构筑物两侧会产生静水压力差；涌潮静水压差力fs计算公式(5)为：

fs＝ρghs(h0+h-hs)d(5)

hs＝λd(6)

式中，hs为迎流面和背流面之间的水位差；

步骤四、计算涌潮绕流力

利用morison公式，并忽略惯性力，可得到绕流力fm的计算公式(7)：

式中，cd为阻力系数(取值0.3～0.5，均值0.4)，为涌潮垂线平均流速；

步骤五，计算涌潮作用力

由步骤三至步骤五计算得到的涌潮冲击力、静水压差力以及绕流力，三者合计为涌潮作用力ft的计算公式(9)：

ft＝fi+fs+fm(9)。

所述步骤二中，涌潮冲击力f1的计算公式(3)的推导过程是：涌潮冲击力是由于涌潮潮头变成直立的波峰前部与圆柱发生撞击所引起的，属于水流冲击问题。常用的水流冲击力计算采用半理论半经验公式(10)，式中的冲击系数cd取决于水流特性。由于涌潮水流特性的复杂性，以式(10)为基础，利用室内试验所获取的涌潮作用力最大时所对应的涌潮冲击力率定涌潮冲击系数cs，经率定其值为1.0～1.4，均值1.2。

式中，f为水流冲击力，cd为水流冲击系数，ρ为水的密度，u为水流流速，s为水流冲击圆柱的面积。

本发明的原理是：本发明采用涌潮水槽试验的方法对圆柱型构筑物的涌潮作用力进行了系统研究。通过涌潮水槽试验，发现涌潮通过圆柱型构筑物(例如圆柱桩，以下简称圆柱)将经历拍击接触－部分淹没－完全淹没－逐步脱离接触的过程，其作用可分成两个区域：涌潮潮头水位最高点区域(λd的范围)为不完全绕流区域，另一个区域为涌潮潮头水位最高点区域以下部分，圆柱始终淹没于水中，属于完全绕流。基于上述作用机理的认识，结合涌潮水槽的试验数据，率定相关系数，提出了涌潮作用力的计算公式，即式(9)。然后将水文采集装置或涌潮计算模型所获取的潮前水深、潮前流速等数据为输入，以涌潮作用力为输出，构建完整的专用组件。

本发明的有益效果是：本发明以涌潮作用力的计算公式为理论基础，采用水文采集装置或涌潮计算模型获取输入条件，得到了涌潮作用力数据。经验证，该组件的输出结果能较好的反映出涌潮作用力的大小，误差较小。采用该组件可计算特定涌潮条件下任一直径圆柱的涌潮作用力大小，为桥墩、码头等下部结构的设计和安全运营提供关键的参数。

附图说明

图1为本发明的实施步骤流程图。

图2为本发明实施例计算机程序简要流程示意图。

图3本发明计算机与水文采集装置或涌潮计算模型连接关系示意图。

图4为涌潮及其相关参数示意图。图4中：c为涌潮传播速度，v0为潮前流速，h0为潮前水深，h1为涌潮过后的水深，h为涌潮高度，v1涌潮过后的流速，hs为涌潮冲击圆柱桩时迎流面和背流面之间的水位差。

图5为涌潮潮头坡度的计算值与试验值对比图。

图6为涌潮作用力的计算值与试验值对比图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。

本文中的名词定义：

1)垂线：即圆柱的垂直于地面的轴线。

2)涌潮潮头坡度：涌潮潮头的垂直高度(涌潮高度h)和水平方向的距离之比。

3)涌潮垂线平均流速：涌潮时刻在单位时间内流过单位过流断面的水体体积。

实施例1：

用于圆柱型构筑物涌潮作用力计算的专用组件，包括至少一计算机2、若干水文采集装置3或涌潮计算模型1。计算机连接水文采集装置或涌潮计算模型(现有技术)。计算机能对水文采集装置采集的水文数据或涌潮计算模型输出的涌潮计算相关数据进行处理分析，并将所得的结果以表格4的形式输出。其流程如图1～图2。

若干水文采集装置包括：水位仪、三维声学多普勒流速仪(adv)、回声测深仪。

水文数据与涌潮计算数据包括：潮前水深、潮前流速、涌潮高度。

计算机与所述水文采集装置之间的连接方式如图3所示，包括缆线连接或无线电连接或光耦合连接。

所述处理包括以下步骤：

步骤一、计算涌潮传播速度

将获取的水文数据或涌潮计算数据，代入涌潮传播速度理论公式(1)，计算出涌潮传播速度c；公式(1)为现有的由一维连续性方程和动量方程推导出的涌潮传播速度理论公式；

h1＝h0+h(2)

式中，c为涌潮传播速度，v0为潮前流速，h0为潮前水深，h1为涌潮过后的水深，h为涌潮高度；

公式(1)来自【潘存鸿，鲁海燕，曾剑.钱塘江涌潮特性及其数值模拟[j].水利水运工程学报，2008，(2)：1-9.】。

步骤二、计算涌潮冲击力

利用步骤一获取的涌潮传播速度，代入涌潮冲击力的计算公式(3)，计算出涌潮冲击力fi：

λ＝0.058h+0.05(4)

式中，c为涌潮传播速度，ρ为水的密度，d为圆柱型构筑物直径，cs为涌潮冲击系数(cs取值1.0～1.4，均值1.2)，λ为涌潮潮头坡度；

涌潮潮头总是存在一定的坡度，其坡度变化范围为0.10～0.35，可由式(4)计算得到；经与试验数据对比，式(4)具有较高的计算精度，如图4所示(图中：每个黑点均表示某一涌潮的涌潮潮头坡度的计算数据与试验数据，斜直线为倾斜角为45度的参考线，越靠近该直线，表示计算数据与试验数据的差异越小)。从式(4)可知，涌潮潮头坡度与涌潮高度呈线性关系。

涌潮冲击力f1的计算公式(3)的推导过程是：涌潮冲击力属于水流冲击问题。针对涌潮水流的特性，以水流冲击力的半理论半经验计算公式为基础，利用室内试验所获取的涌潮作用力最大时所对应的涌潮冲击力率定涌潮冲击系数cs，经率定其值为1.0～1.4，均值1.2。

步骤三、计算涌潮静水压差力

在涌潮冲击圆柱型构筑物时，由于潮头坡度的存在，圆柱型构筑物两侧会产生静水压力差；涌潮静水压差力fs计算公式(5)为：

fs＝ρghs(h0+h-hs)d(5)

hs＝λd(6)

式中，hs为迎流面和背流面之间的水位差；

步骤四、计算涌潮绕流力

利用morison公式，并忽略惯性力，可得到绕流力fm的计算公式(7)：

式中，ρ为水的密度，cd为阻力系数(取值0.3～0.5，均值0.4)，为涌潮垂线平均流速；

步骤五，计算涌潮作用力

由步骤三至步骤五计算得到的涌潮冲击力、静水压差力以及绕流力，三者合计可计算涌潮作用力ft的计算公式(9)：

ft＝fi+fs+fm(9)

涌潮作用力是三部分作用力组成，分别是涌潮冲击力、静水压差力及绕流力，它们的计算公式分别是式(3)(5)(7)；经与试验数据对比，式(9)具有较高的计算精度，如图5所示(图中：每个黑点均表示某一涌潮的涌潮作用力计算数据与试验数据，斜直线为倾斜角为45度的参考线，越靠近该直线，表示计算数据与试验数据的差异越小)。

实施例2：以下以嘉绍大桥桥墩涌潮作用力计算为例进行进一步说明。

嘉绍大桥建在钱塘江河口尖山河段的上虞九六丘和海宁05围区之间，堤线间桥梁总长约9km，是浙江省公路水运交通规划中“两纵、两横、十八连、三绕、三通道”的第二通道。嘉绍大桥南引桥、中引桥为预应力钢筋混凝土连续桥梁，采用直径分别为3.1m和3.6m的圆柱形桥墩。设计条件下，涌潮的潮前水深h＝3.0m，潮前流速v＝-0.54m/s、涌潮高度h＝3.0m。

首先，利用上述的潮前水深、涌潮高度、潮前流速，由计算机计算得到涌潮传播速度c＝8.94m/s。

随后，由已知的涌潮高度，由计算机计算其涌潮潮头坡度λ＝0.224，取cs＝1.2，继而由计算机计算得到嘉绍大桥南引桥、中引桥的涌潮冲击力分别103.2kn和139.2kn。

接着，由计算机计算得到迎流面和背流面之间的水位差hs＝0.672，计算得南引桥、中引桥的涌潮静水压差力分别为114.2kn和150.8kn。

然后，由计算机计算涌潮垂线平均流速从而由计算机分别计算得到南引桥、中引桥的涌潮绕流力分别是74.0kn和84.1kn。

最后，由计算机将三者相加计算得到南引桥、中引桥的涌潮作用力分别为291.4kn和374.1kn。

嘉绍大桥的涌潮作用力曾采用涌潮水槽(长50m，宽4.0m)进行了试验；在上述设计条件下，试验结果表明嘉绍大桥南引桥、中引桥的涌潮作用力分别为294kn和361kn；该试验结果与上述的计算值非常接近。

实施例3：

计算机程序控制步骤如下：

a、读取水文数据或涌潮计算数据及圆柱直径；

b、计算涌潮传播速度；

c、计算涌潮冲击力、涌潮静水压差力、涌潮绕流力；

d、计算涌潮作用力；

尽管已结合优选的实施例描述了本发明，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够对在这里列出的主题实施各种改变、同等物的置换和修改，因此本发明的保护范围当视所提出的权利要求限定的范围为准。