高樁承臺樁基波浪受力分析

摘要：以深海橋梁建設中廣泛采用的群樁基礎為研究對象，發展了淹沒承臺下樁柱波浪作用力的工程計算方法。分析了承臺效應系數隨淹沒深度、承臺尺寸等參數的變化規律，并在時域內計算了波浪對樁柱的作用。承臺與波浪的繞射問題采用基于勢流理論和特征函數展開的解析法，繞射場內樁柱波浪力的計算采用Morison公式，通過與數值模擬的計算結果進行對比，驗證了該方法的正確性。結果表明：不同的承臺尺寸會使承臺效應系數隨浸入深度的變化有所改變。合力將隨入射波數的增加而減小，合力點的變化將在特定波數下出現拐點。樁柱上波浪合力的最小值出現于承臺迎浪一側，最大值出現于承臺背浪一側及垂直于入射方向的承臺兩側與背浪側30°角范圍內。承臺的存在使得樁柱上的波向力出現偏向性并產生相位差，此時的群樁系數可取為0.7。

關鍵詞：淹沒承臺；樁基礎；波浪力；繞射；時域分析

中圖分類號：U443.15

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）01006806

跨海大橋作為聯系陸路和水上交通的紐帶發揮著重要作用，這類海工建筑物多數支撐在樁基結構物上。相比陸上樁基礎，水下同類基礎面臨著更復雜的工作環境。樁基承臺組合結構在波浪水流作用下的局部沖刷問題[13]、整體受力問題[4]以及波浪、地震下樁基結構的動力響應問題[5]一直是學者們關注的焦點。而在工程設計和施工中，合理確定波浪作用在樁基結構上的作用力和合力作用點通常是設計的控制參數[6]，對工程的造價、安全起著重要作用。高樁承臺結構中，圓形承臺應用廣泛，它是由大尺度圓截面承臺和小尺度樁組合而成的復合受力結構。相關研究[7]表明，在一定的入射波浪條件下，由于大尺度結構的存在而產生的波浪繞射對小尺度桿件所受波浪荷載的影響不可忽略。

劉逸敏，等：高樁承臺樁基波浪受力分析

中國一些學者對東海大橋橋梁樁基承臺波浪受力問題進行過一定的研究[8]。基于線性勢流理論，Garrett得到了水面處固定截斷柱體對波浪散射問題的解析表達，并由姚文偉等[9]推廣應用到圓形承臺樁基的分析中。Geng等[10]利用高階邊界元法在時域內求解了大尺寸截斷圓柱的水波繞射勢，結合Morison公式算得了桿件上的波浪受力。通過模型試驗，Yuan等[11]研究了規則波下截斷圓柱慣性力系數和拽力系數（Cd和Cm）隨截斷長度的關系。Venugopal等[1213]實驗分析了純波及波流共同作用時，Cd和Cm的變化規律。利用分離變量法和特征函數展開法，張海燕等[14]、姜勝超等[15]建立了波浪對截斷浮式圓柱和淹沒圓柱的繞射問題的解析解，并得到了波浪作用在結構上的波浪荷載。采用相同的方法，賴偉[16]、Zheng等[17]推導了水下截斷圓柱和無限長矩形結構對水波的繞射和輻射問題及其水動力特性。王均杰等[18]將深水高樁基礎的承臺部分理想化為浸入水中的截斷圓柱體，建立了地震作用下截斷圓柱體動水壓等效附加質量和等效附加阻尼的計算方法，并提出了矩形截面主體等效為圓柱體的近似計算方法。目前，對于承臺浸入水下的高樁承臺基礎樁柱波浪力研究較少，這影響到了對水下樁基礎的全面認識。因此，有必要開展水下承臺樁基結構受力的進一步研究。

本文引入浸沒承臺繞射模型和Morison公式計算了大尺度水下高樁圓形承臺的樁柱波浪受力，重點分析了承臺相對尺度、淹沒水深等因素對樁柱波浪作用力的影響，并在時域內分析了承臺下不同位置處樁柱波浪受力的時間序列，旨在為工程設計提供一定的參考。

1基本原理

1.1淹沒水下承臺速度勢的求解

基于線性勢流理論，參照文獻[16]給出的求解方法可得到水下淹沒圓柱對入射水波的繞射作用的解析表達。入射條件、結構參數和坐標系統見圖1。