規則波對水平板沖擊作用試驗研究

孫 家 文， 梁書秀， 孫昭晨

（1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.國家海洋環境監測中心，遼寧 大連 116023；3.國家海洋局 海域管理政策與技術重點實驗室，遼寧 大連 116023）

0 引 言

隨著近岸深水資源的高強度開發及船舶大型化的發展，適于大型船舶停靠的深水岸線資源已開發殆盡，離岸深水資源開發成為一種必然的趨勢.為適應外海環境條件，新型建筑物一般設計成透空式，而透空式結構極易受到波浪的沖擊荷載而造成結構失穩或局部破壞.

有關透空式結構的波浪沖擊荷載問題越來越引起研究人員及工程設計者的關注，研究成果也較豐富.如：Wang［1］對水平板上的波浪力及其分布進行了分析，并給出了波壓力計算方法；谷本勝利等［2］對水平板底部上托力進行了理論推導，首次考慮了水體空氣層的影響；Kaplan 等［3－4］、Baarholm等［5－6］亦通過引入邊界條件對波浪作用下的水平板上托力進行了理論推導；除理論推導外，各國學者（合田良實［7］、過達等［8］、Wang等［9］、Ren等［10－11］、周益人等［12］）亦采用物理模型試驗的方法，針對特定的透空式結構形式，總結出相應的波浪沖擊壓力或波浪上托力的計算方法.波浪沖擊涉及波浪的強非線性、湍流、黏性、水汽摻混及波浪與水平板的相互作用等，其作用機理十分復雜，現有的研究成果對其作用機理的分析還不十分明確，因此有必要進一步開展波浪沖擊問題的相關研究.

本文對規則波作用下長寬比為1的方形水平板的受力進行系統的分析，探討相對入射波高H／d、相對凈空Δh／H、相對板寬B／L對方形水平板受力的影響規律.

1 試驗設計

本次試驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室非線性波浪水槽中進行，水槽尺寸為60m×4.0m×2.8m；水平板模型采用有機玻璃制作，尺寸為75cm×75cm×1.5cm，放置在水槽的中部（見圖1）；水平板上均勻布置25個壓力傳感器（見圖2），壓力數據采樣頻率選擇1 000 Hz（以往的研究表明此采樣頻率已能滿足沖擊壓力的測量要求）.

本次試驗水深為0.8m，考慮4種波浪入射角度（β＝0°、15°、30°、45°）、6種相對凈空 Δh／H（水平板底面距離靜水面的高度Δh與入射波高H的比值）0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5.試驗入射波條件見表1.

圖1 模型試驗布置示意圖Fig.1 Sketch of experimental setup

圖2 水平板模型底部點壓力傳感器布置示意圖（單位：mm）Fig.2 Sketch of pressure transducers on the surface of the deck model（unit：mm）

表1 實驗中波浪參數Tab.1 Wave parameters in experiment

2 試驗數據分析

2.1 壓力數據分析的小波分析法

圖3為壓力傳感器記錄的典型沖擊壓力過程線.由過程線可以看出：壓力過程線由沖擊壓力及動水壓力兩部分組成，其中沖擊壓力一般出現在波浪與水平板接觸的瞬間，較動水壓力大得多.圖中細實線為壓力的采集值，可以看出數據存在振蕩，此種振蕩一般是由于波浪作用于水平板時引起傳感器的運動響應而產生的.在數據分析時，采用小波濾波與信號重構方法對采集的壓力數據進行了處理，詳細的處理方法及過程見文獻［13］.

圖3 沖擊壓力過程線Fig.3 Impact pressure time history curves

2.2 水平板上托力過程線

本次試驗水平板模型為尺寸75cm×75cm×1.5cm的有機玻璃板模型，受試驗條件的限制，單純用總力傳感器測量上托力，水平板難以固定，上托力為采用點壓力積分方式得到.具體的積分過程為采用25個壓力傳感器瞬時的壓力值和該測點所代表的壓力的作用面積，積分得到每一瞬時水平板的上托力.以往的試驗表明［14］：通過積分得到平板底面的上托力與總力傳感器直接測量得到的上托力其變化規律相同，且二者上托力峰值一致.

圖4為規則波作用條件下水平板上托力過程線.凈空高度一定時，各個周期內上托力的類型相似；平板的凈空高度較小時，動水壓力較大，與沖擊壓力界限較分明；平板的凈空高度較大時，動水壓力過程不太明顯，上托力變化以沖擊壓力為主.

圖4 規則波作用下水平板上托力的時間過程線Fig.4 Time series of regular wave uplift force on horizontal deck

3 水平板上托力影響因素分析

以往研究表明，水平板上托力與入射波高H、水平板的相對寬度B／L及相對凈空Δh／H密切相關.

為進一步分析上述各因素（除入射波高H）與水平板上托力的關系，均采用量綱分析法（量綱一參數選擇為ρgHA）分析，其中ρ為水體的密度（kg／m3），g為重力加速度（m·s－2），H為入射波高（m），A為最大上托力發生時刻波浪作用在平板的底面積（m2）.L為入射波波長（m）.

上述參數中唯一難以確定的是最大上托力發生時刻波浪作用在水平板上的面積A.分析可知入射波波長及水平板底面與波面的相對位置均會影響波浪作用于水平板底面的分布寬度，因此分布寬度應與波浪和水平板的接觸寬度有關.在本次試驗中，大部分試驗組次最大上托力發生時水平板底面均布壓強分布寬度為波浪與水平板接觸寬度的0.35～0.60.結合波浪作用下水平板底面均布壓強分布寬度的相關研究［14］，本文數據分析中采用周益人等給出的上托力最大時均布壓強的分布寬度大體等于波浪與水平板接觸寬度的1／2的結論.通過對試驗數據的處理分析發現，上托力最大時均布型壓力分布出現在相對凈空Δh／H≤0.3，這與相關文獻給出的結論是相同的.對于Δh／H＞0.3的情況，上托力以沖擊型為主，而本次試驗中，在波浪傳播方向布置的壓力監測點較少，并不能真實反映局部沖擊壓強的分布寬度，對于這種局部沖擊壓強的分布寬度取值亦借鑒文獻［14］中的結論：局部沖擊型壓強分布寬度與波浪和水平板的接觸寬度成正比，分布寬度為波浪與水平板接觸寬度的1／10.

3.1 入射波高對上托力的影響

圖5為相同相對板寬B／L、不同相對凈空Δh／H、不同角度入射波條件下水平板上托力與入射波波高的關系.圖中橫坐標為相對入射波高H／d，縱坐標為水平板上托力F.

由圖5可知，在本次入射波高范圍內，水平板上托力隨著波高的增大而增大（僅有個別組次數據不符合此規律）.

3.2 相對凈空對上托力的影響

圖6為水平板上托力F／ρgHA隨相對凈空Δh／H的變化關系.由圖可以看出：水平板上托力峰值不會出現在固定的凈空高度處，而出現在Δh／H＝0～0.3；普遍規律為凈空高度達到某一位置時，上托力達到最大值，而后隨著凈空高度的進一步增大，上托力反而減小.分析現象產生的原因在于，凈空高度越小時，波浪的垂向速度越大，自然水平板上托力較大，但凈空高度越小水平板下封閉的氣體量越多，氣體墊層對沖擊的緩沖作用越大，因此，水平板上托力峰值不會出現在固定的凈空高度處.

但當Δh／H＞0.3時，水平板底面氣體墊層的影響越來越小，上托力主要受波浪垂向沖擊速度控制；同時，此時上托力分布應對應局部沖擊型分布，雖然此時沖擊壓強較大，但沖擊壓強作用的面積較小，因此對應的上托力較小.

3.3 相對板寬對沖擊力的影響

圖7為不同入射角度條件下，水平板上托力F／ρgHA隨水平板相對寬度B／L的變化關系.

由圖可以看出：水平板上托力隨著相對板寬的增大會出現2個峰值，第1個峰值出現在相對板寬B／L＝0.178時，第2個峰值出現在相對板寬B／L＝0.261時，這與文獻［15］中給出的規則波實驗條件下二維水平板的試驗結論是類似的.

相對板寬較小時，波浪可以作用在整個水平板上，水平板的面積越大，相應的上托力越大；相對板寬較大時，水平板的寬度大于上托力最大值發生時波浪作用于水平板上的寬度，此時水平板不僅要受到向上的上托力作用，而且還會受到負壓作用，水平板的相對總上托力會減小.

圖5 不同方向規則波作用下水平板底面上托力與波高關系Fig.5 The regular wave uplift forces versus the relative wave height from the different wave directions

圖6 不同方向規則波作用下水平板上托力與相對凈空關系Fig.6 The regular wave uplift forces versus the relative clearance from the different wave directions

圖7 不同方向規則波作用下水平板上托力與相對板寬的關系Fig.7 The regular wave uplift forces versus the relative deck width from different wave directions

由于本次試驗相對板寬B／L僅在0.155～0.482，對板寬進一步增大情況沒有作進一步的分析.

4 結 論

（1）規則波作用下，各周期上托力的類型相似；凈空高度較小時，動水壓力較大，與沖擊壓力界限較分明；凈空高度較大時，上托力變化以沖擊壓力為主.

（2）在本次試驗入射波高范圍內，水平板上托力隨著波高的增大而增大（僅有個別組次數據不符合此規律）.

（3）水平板上托力峰值不會出現在固定的凈空高度處，而是出現在相對凈空Δh／H為0～0.3處.

（4）水平板上托力隨著相對板寬的增大會出現2個峰值，第1個峰值出現在相對板寬B／L＝0.178處，第2個峰值出現在相對板寬B／L＝0.261處.

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