一种跨海桥梁基础所受波浪力的计算方法与流程

技术特征：

1.一种跨海桥梁基础所受波浪力的计算方法，其特征在于：所述跨海桥梁基础包括桩基(1)、承台(2)和桥墩(3)，所述桩基(1)包括若干单桩(11)，所述桩基(1)一端连接海底，另一端设有承台(2)，所述承台(2)为一整体结构，且所述承台(2)联结所有所述单桩(11)，所述承台(2)顶端设有桥墩(3)，所述桥墩(3)尺寸比所述承台(2)尺寸小；

分别计算桩基(1)、承台(2)和桥墩(3)所受波浪力；并通过模型试验法得出桩基(1)、承台(2)和桥墩(3)所受波浪力与跨海桥梁基础所受的波浪力之间的相位系数，并计算得到跨海桥梁基础所受的波浪力。

2.如权利要求1所述的跨海桥梁基础所受波浪力的计算方法，其特征在于：所述桥墩(3)所受波浪力采用莫里森方程进行计算，所述桥墩(3)单位长度受到水平方向的波浪力f由速度分力f_d和惯性分力f_i两部分组成，具体如下：

$f=f_i+f_d=C_m\mathrm{\ρ}A\frac{\∂u}{\∂t}+C_d\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}Du\left|u\right|$

其中，f为所述桥墩(3)单位长度所受到的水平方向的波浪力，f_d为桥墩(3)单位长度所受波浪力的速度分力，f_i为桥墩(3)单位长度所受波浪力的惯性分力，D为桥墩(3)直径，ρ为海水密度，A为桥墩(3)的断面积，u为波浪水质点轨道运动的水平速度，C_m为惯性力系数，C_d为速度力系数，t为时间变量。

3.如权利要求1所述的跨海桥梁基础所受波浪力的计算方法，其特征在于：所述承台(2)所受波浪力计算采用三维源汇分布法，在所述承台(2)入水处建立三维直角坐标系，基于线性绕射理论，扰动后所述三维直角坐标系中任一点q(x,y,z)的速度势为Φ(x,y,z,t)，具体如下：

Φ(x,y,z,t)＝Re{[Φ_I(x,y,z)+Φ_S(x,y,z)]e^-iωt}

其中，q(x,y,z)为所述三维直角坐标系中任一点的坐标，Φ(x,y,z,t)为所述点q(x,y,z)的速度势，Re{}表示取复数表达式的实部，Φ_I(x,y,z)为所述点q(x,y,z)的入射波复速度势，Φ_S(x,y,z)为所述点q(x,y,z)的绕射波复速度势，ω为所述点q(x,y,z)的入射波的角频率，i是复数虚部符号，t为时间变量，e为自然常数。

4.如权利要求3所述的跨海桥梁基础所受波浪力的计算方法，其特征在于：所述点q(x,y,z)的入射波复速度势为：

${\mathrm{\Φ}}_I(x,y,z)=-\frac{igH}{2\mathrm{\ω}}\frac{\cosh k(z+d)}{\cosh kd}{e}^{\left\{ik(xcos\mathrm{\β}+ysin\mathrm{\β})\right\}}$

其中，Φ_I(x,y,z)为所述点q(x,y,z)的入射波复速度势，H为所述点q(x,y,z)的波浪高度，k为所述点q(x,y,z)的波浪数量，β为所述点q(x,y,z)的波浪的入射角，d为所述点q(x,y,z)的水深，i是复数虚部符号，e为自然常数，g是重力加速度。

5.如权利要求4所述的跨海桥梁基础所受波浪力的计算方法，其特征在于：所述点的绕射波复速度势Φ_S(x,y,z)利用三维源汇分布法求解，即若所述承台(2)表面上的点源M(ξ,η,ζ)的点源强度函数f(ξ,η,ζ)是连续的，则所述三维直角坐标系中任一点q(x,y,z)的绕射波复速度势Φ_S(x,y,z)为所述承台(2)表面上所有点源对点q(x,y,z)所引起的源势之和，即：

${\mathrm{\Φ}}_S(x,y,z)=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{S}{\∫\∫}f(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η},\mathrm{\ζ})G(x,y,z;\mathrm{\ξ},\mathrm{\η},\mathrm{\ζ})dS$

其中，Φ_S(x,y,z)为所述点q(x,y,z)的绕射波复速度势，f(ξ,η,ζ)为所述承台(2)表面上的点源M(ξ,η,ζ)的点源强度函数，G(x,y,z；ξ,η,ζ)为格林函数，S为所述承台(2)表面的面积。

6.如权利要求5所述的跨海桥梁基础所受波浪力的计算方法，其特征在于：所述承台(2)表面微分单元所受的压强p(x_j,y_j,z_j,t)由伯努利方程计算可得，具体如下：

$p(x_j,y_j,z_j,t)=-\mathrm{\ρ}\frac{\∂\mathrm{\Φ}(x_j,y_j,z_j,t)}{\∂t}=i\mathrm{\ρ}\mathrm{\ω}\[{\mathrm{\Φ}}_I(x_j,y_j,z_j)+{\mathrm{\Φ}}_S(x_j,y_j,z_j)\]e^{-i\mathrm{\ω}t}$

其中，j为所述承台(2)表面微分单元的编号，取j＝1,2,3…N，

p(x_j,y_j,z_j,t)为所述承台(2)表面微分单元所受的压强，Φ(x_j,y_j,z_j,t)为所述点q(x_j,y_j,z_j)的速度势，ρ为海水密度，t为时间变量，ω为所述点q(x_j,y_j,z_j)的入射波的角频率，i是复数虚部符号，e为自然常数，Φ_I(x_j,y_j,z_j)所述点q(x_j,y_j,z_j)的入射波复速度势，Φ_S(x_j,y_j,z_j)所述点q(x_j,y_j,z_j)的绕射波复速度势。

7.如权利要求5所述的跨海桥梁基础所受波浪力的计算方法，其特征在于：所述承台(2)所受的波浪力的水平分量为：

$F_x\left(t\right)=\underset{S}{\∫\∫}p(x,y,z,t)n_{x}dS$

其中，F_x(t)为所述承台(2)所受的波浪力的水平分量，p(x,y,z,t)为所述承台(2)表面微分单元所受的压强，n_x是微分单元单位法向量沿x轴方向的分量，S为所述承台(2)表面的面积；

所述承台(2)所受的波浪力的倾覆力矩为：

$M_y\left(t\right)=\underset{S}{\∫\∫}p(x,y,z,t)({\mathrm{xn}}_y-{\mathrm{zn}}_x)dS$

其中，M_y(t)为所述承台(2)所受的波浪力的倾覆力矩，p(x,y,z,t)为为所述承台(2)表面微分单元所受的压强，n_x是微分单元单位法向量沿x轴方向的分量，n_y是微分单元单位法向量沿y轴方向的分量，S为所述承台(2)表面的面积。

8.如权利要求1所述的跨海桥梁基础所受波浪力的计算方法，其特征在于：所述桩基(1)所受到的波浪力通过单桩(11)所受的波浪力为基础进行计算，所述单桩(11)所受的波浪力采用莫里森方程进行计算，所述桩基(1)所受到的最大波浪力为：

$F_{max}=max\[\underset{n}{\Σ}{K}_G\left(F_{Dmax}cos2\mathrm{\π}\frac{x}{L}\right|cos2\mathrm{\π}\frac{x}{L}|-F_{\mathrm{Im}ax}sin2\mathrm{\π}\frac{x}{L})\]$

其中，F_max为所述桩基(1)所受到的波浪力的最大值，F_Dmax为所述单桩(11)所受到的最大速度分力，F_Imax为所述单桩(11)所受到的最大惯性分力，L为波浪的波长，n为所述桩基(1)中单桩(11)的个数，K_G为群桩系数，x为起算波峰值位置至受力计算单桩(11)中心的距离。

9.如权利要求1所述的跨海桥梁基础所受波浪力的计算方法，其特征在于：所述跨海桥梁基础所受波浪力为所述桥墩(3)、承台(2)和桩基(1)各部分所受波浪力最大值之和乘以相位系数K，即：

F_总＝(F_桥墩+F_承台+F_桩基)×K

其中，F_总为所述跨海桥梁基础所受波浪力，F_桥墩为所述桥墩(3)所受波浪力最大值，F_承台为所述承台(2)所受波浪力最大值，F_桩基为所述桩基(1)所受波浪力最大值，所述相位系数K取值等于0.91。

10.如权利要求9所述的跨海桥梁基础所受波浪力的计算方法，其特征在于：所述相位系数K由试验方法获得，所述试验方法为模型试验法，包括如下步骤：

S1、确定模型各物理量比尺；

S2、构建所述跨海桥梁基础的模型；

S3、在波浪港池中模拟水流和波浪；

S4、测量模型在水流和波浪作用下所受的水平方向的总力；

S5、根据模型的桥墩(3)、承台(2)、桩基(1)各部分所受波浪力和模型整体所受的水平方向的总力的比值确定相位系数K取值范围；

在S1中，各物理量比尺具体如下：

几何比尺：Lr＝1:50；

时间比尺：

重量比尺：Mr＝Lr³；

波浪总力比尺：Fr＝Lr³；

压强比尺：P＝Lr；

流速比尺：

在S3中，模拟波浪为不规则波，按重力相似准则确定模拟波浪的波高、波周期，将按模型比尺换算后的特征波要素输入计算机，产生造波讯号，控制造波机产生相应的不规则波序列。