極端波浪與海洋結構物的強非線性作用研究綜述

鄧燕飛，楊建民，肖龍飛，李 欣

（上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240）

極端波浪與海洋結構物的強非線性作用研究綜述

鄧燕飛，楊建民，肖龍飛，李 欣

（上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240）

鑒于極端波浪的極大破壞力，其與海洋結構物的強非線性作用研究正日益受到重視。為了評估極端波浪可能帶來的嚴重破壞，有必要對極端波浪作用下海洋結構物的波浪爬升與抨擊、強非線性波浪力、結構載荷與運動響應等問題開展深入研究。國內外許多學者采用數值計算、模型實驗及小波分析等手段對這些問題開展了探索研究，獲得了一些有益的研究結論。該文對極端波浪與海洋結構物相互作用的研究現狀和現有結論作了綜述，可為進一步開展深入研究提供有益參考。

極端波浪；海洋結構物；強非線性作用；綜述

0 引 言

極端波浪，又稱畸形波、兇波和瘋狗波，是一種具有異常大波高和不對稱波形的強非線性波浪。它往往突然出現，如同一面巨大的水墻襲來，又迅速消失得無影無蹤。近幾十年，關于極端波浪在世界各個海域出現并沖擊客輪、油輪及海洋平臺的報告越來越多。盡管學者們提出了多種極端波浪的生成假說，用以解釋極端波浪強非線性特征及其較高的出現概率，但學術界目前對此尚未有定論[1-3]。除此之外，極端波浪驚人的破壞力已經引起學術界和工業界對其嚴重危害的關注。據統計，在1969至1994年間，至少22艘大型船艦由于遭遇極端波浪襲擊而失蹤[1]。因此，深入認識極端波浪和海洋結構物的強非線性作用機制對于完善有關的船舶平臺設計標準，保障海洋裝備及海上作業人員的安全至關重要。

研究發現，極端波浪的形成往往伴隨著波浪能量迅速集中、波浪升高急劇增大的過程。這種帶有巨大能量的強非線性波浪在傳播時遇到障礙物將引起嚴重的波浪爬升與甲板上浪現象、強烈的抨擊載荷與波浪力，進而可能導致局部結構破壞、船舶傾覆以及平臺大幅度劇烈運動引起的系泊系統破壞等嚴重后果。近年來，國內外學者采用理論分析、數值模擬、物理實驗和小波分析等手段，對極端波浪與海洋結構物的相互作用開展研究探索，并形成了一些有益的結論。值得說明的是，這些研究對于全面深入認識極端波浪對海洋結構物的作用機制仍是零散的，不充分的。本文旨在總結吸收已有的研究成果，為后續深入的研究提供參考。

1 極端波浪觀測記錄

目前，極端波浪并沒有統一的定義，而將波高是有義波高兩倍以上的波浪定義為極端波浪是被廣泛認可的[1-4]。極端波浪可發生在所有海域，不管是深海還是近海[1，3，5]，可出現在風暴天氣或一般天氣，但以前者居多[6-7]。

世界各大海域均有極端波浪發生及其引起的海難記錄。Mallory（1974）[8]首先對南非東南海域Agulhas中的極端波浪進行了討論，并詳細列舉了1952年至1973年該海域的12個極端波浪。Sand等（1990）[9]則對北海淺水海域（水深20至40 m）1969年至1985年的極端波浪進行了統計分析。Chien等（2002）[3]對臺灣海峽水域1949年至1999年140個極端波浪進行了匯總和分類，并引起了人們對淺水海域極端波浪現象的關注。Mori等（2002）[5]也對日本海Yura港口海域（水深43 m）1986年至1990年的波高超過兩倍有義波高且大于10 m的極端波浪進行了統計，并采用小波分析方法對其進行了分析。Kharif和Pelinovsky（2003）[1]匯總了1969年至1994年全球范圍內22艘大型船艦遭受極端波浪襲擊而破壞失蹤的記錄。Didenkulova等（2006）[10]收集并識別了2005年世界各大海域9個極端波浪的記錄情況，而Nikolkina和Didenkulova（2011）[11]匯總確認了2006年至2010年間在深海、淺海及岸灘出現的78個極端波浪造成結構損壞和人員傷亡的案例。值得一提的是，1995年1月1日在北海Draupner平臺記錄的高達25.6 m的“新年波”是最著名的一個極端波浪序列，如圖1所示。“新年波”引起了人們對極端波浪現象的關注，而且正是在它出現以后，人們把大量的海難事故和平臺損壞事故和極端波浪的出現聯系了起來，極端波浪被認為是過去兩百年來超過200起海難事故的主要兇手[11]。

圖1 “新年波”波浪時歷Fig.1 New Year wave sequence

可見，極端波浪產生的環境多種多樣，其形成原因也眾說紛紜。有觀點認為，極端波浪可以分成“典型”極端波浪和“畸形”極端波浪兩類[12]，前者能夠采用傳統的水波模型和概率統計模型來描述，而后者則需要提出新的理論模型來加以闡述。極端波浪可能有多種的形成機制，但其均具有較大波高和波陡，具有強烈的非線性特征。在實驗室中或數值計算中模擬極端波浪的方法多種多樣，如利用相位聚焦方法生成瞬態聚焦波[13]、通過在隨機波浪中嵌入瞬態波方法生成更符合真實海況的極端波浪[14-15]、利用約束優化模型生成具有特定局部特征參數的極端波浪[16]以及通過目標波浪時歷逆推造波板信號并采用相位—幅值迭代方法優化相位分布生成實測極端波浪時歷[17]等。在本文中，“新年波”、“北阿爾文波”、“瞬態聚焦波”、“優化波”等均指具有較大波高的極端波浪。通過考慮高階非線性成分的理論分析、完全非線性數值模擬或模型實驗，描述或模擬具有強非線性的極端波浪，并研究其引起的局部波浪爬升和抨擊、非線性波浪力和結構物的動力響應，對于提升關于極端波浪對海洋結構物作用機制和規律的認知，完善海洋工程結構在極端波浪環境中的安全性評估的理論基礎和分析方法，具有重要的意義。

2 極端波浪引起的局部波浪爬升和抨擊壓力

強非線性波浪能夠引起海洋結構物的波浪爬升、甲板上浪和抨擊等強非線性現象，容易造成甲板設備破壞，甚至引起海洋結構的破壞或整體傾覆。國內外一些學者對極端波浪引起的局部非線性問題開展了相應的研究，并獲得了一些結論。

Niedzwecki和Duggal（1992）[18]通過物理實驗研究了規則波和隨機波浪中圓柱波浪爬升問題，發現線性繞射理論明顯低估圓柱波浪爬升的水平（極小波陡的情況除外）。另外，通過對比截斷和全水深圓柱的結果發現圓柱截斷對波浪爬升幾乎沒有影響，這說明一定深度以下的水質點運動情況對波浪爬升沒有顯著影響。Shu-xue等（2010）[19]通過能量聚集方法在物理水池中生成了三維的極端波浪，研究了三維多向聚焦波浪下垂直圓柱的波浪爬升問題，發現波陡、波頻寬度和浪向分布參數等對圓柱表面波浪爬升有重要影響。Bai和Eatock Taylor（2007）[20]通過數值模擬對聚焦波浪下圓柱體周圍的波浪爬升進行了分析，發現當聚焦點位于圓柱迎浪面時圓柱迎浪面出現最大波浪升高。Sundar等（1999）[21]也通過實驗研究了豎直和傾斜圓柱在隨機波和極端波浪下的表面壓力，如圖2所示。實驗結果分析發現，壓力譜零階矩隨著波浪譜零階矩的增大而線性增大。此外，圓柱朝來波方向30度傾斜時，圓柱后面壓力點的壓力峰前陡度[22]出現突然增大，當圓柱沿來波方向30度傾斜時，圓柱前面壓力點的壓力峰前陡度則突然減小。

圖2 實驗裝置（圓柱模型及壓力傳感器位置）Fig.2 Experimental set-up(cylinder model and pressure transducer orientation)

Cox和Ortega（2002）[23]在美國Texas A&M大學波浪水槽中對瞬態極端波浪在固定平板上的越堤（overtopping）上浪問題進行了實驗研究。如圖3所示，平板前沿位于距離造波板8.0 m處，平板底部距離靜水面5.25 cm。在試驗中，采用只有一個大波的瞬時極端波浪以避免前續波浪越堤對后面大波越堤形成干擾。同時，采用激光—多普勒測速儀（LDV）對4.5 m、8.0 m和11.5 m三個位置水質點速度進行測量。通過對比有無平板存在情況下極端波浪水質點的局部特征，發現平板存在使得極端波浪波高和平板以上最大水面升高分別上升6%和20%。平板前沿（平板以上）水質點水平速度十分均勻，接近于沒有平板時最大波峰水質點速度，平板下面靠近平板處水質點速度能夠達到沒有平板時最大波峰速度的2.1倍。越堤的波浪在平板上面如同帶有初始速度的“潰壩流”，速度超過沒有平板時最大波峰速度的2.4倍。

圖3 實驗裝置正視圖和俯視圖Fig.3 Elevation view and plan view of experimental set-up

Gorf等（2002）[24]研究了波形較為對稱的極端大波和具有較大峰前波陡的極端破碎波浪對FPSO船艏的抨擊壓力。如圖4所示，實驗中發現具有較大峰前波陡的極端破碎波浪引起了巨大的即時抨擊壓力。

此外，Zhao等（2014）[25]通過多相流數值模擬和物理實驗研究了在極端波浪下一個二維箱型浮體的上浪、抨擊和運動特點。通過數值模擬可以有效捕捉到甲板上浪中水體類似潰壩流、噴射流、波浪翻卷破碎及氣液混合等特點。然而，數值模擬一般來說低估了甲板上浪引起的抨擊壓力，采用較密的網格能夠在一定程度上提高局部抨擊壓力第一峰值的模擬精度。

上述研究均聚焦在極端波浪能夠引起多大的波浪爬升和抨擊壓力上，而對海洋結構物在局部波浪爬升及抨擊載荷作用下的結構非線性動力響應和動態屈曲問題的研究還十分罕見。

圖4 極端破碎波浪對FPSO船艏的抨擊壓力Fig.4 Slamming loading on the FPSO bow due to the extreme breaking wave

3 極端波浪對結構物非線性作用力

海洋工程結構物所承受的波浪力與其自身安全密切相關。長期以來，針對海洋工程結構尤其是圓柱等簡單結構在波浪中承受的波浪力的研究非常多[26]。例如，Morison等（1950）[27]提出了著名的計算細長結構波浪力的半經驗半理論的Morison公式。MacCamy和Fuchs（1954）[28]針對大尺度圓柱結構的繞射問題，給出了相應的一階波浪力計算方法。Kriebel（1998）[29]基于半解析的繞射理論[30]計算了大直徑垂直圓柱的二階波浪力，與規則波實驗結果符合得較好。為了研究結構物在陡波中出現的“擊振”（ringing）現象，Faltinsen等（1995）[31]、Malenica和Molin（1995）[32]及Rainey（1989）[33]分別提出了不同的理論計算規則波中的三階波浪力。此外，為了更好地預估非線性波浪引起的波浪載荷，Chen（2014）[34]結合二階隨機波浪模型和FNV、Rainey的波浪載荷模型，提供了計算非線性波浪載荷的多種理論方法。現有的大部分波浪力計算理論和研究局限于線性或者弱非線性規則波，針對強非線性極端波浪下的波浪力的研究正越來越受到重視，并已獲得了一些有益的結論。

Stansberg等（1995）[35]對固定垂直樁柱在極端隨機波浪中的波浪力進行了實驗研究，發現高頻波浪力成分在頻域中幾乎可以忽略，但其在極端波浪力時歷的最大幅值中能達到10%至20%的貢獻比例。此外，樁柱之間的繞射效應對高頻波浪力激勵的幅值影響很大。

Chaplin等（1997）[36]針對不同直徑的圓柱在單個極端大波作用下的波浪力進行了深入的研究，發現波浪力的測量值比Morison公式的估計值要大，且差距隨著波陡的增加而急劇增大。此外，他們還對單個大波下的波浪力的“二次峰值”現象進行了研究，發現“二次峰值”的幅值主要與波陡參數有關。

Gorf等（2002）[24]在Glasgow水池采用“新波”理論生成了波形較為對稱的極端大波和具有較大峰前波陡的極端破碎波浪，如圖5所示，并對其作用下FPSO船艏承受的強非線性波浪力問題進行了對比研究。如圖6所示，峰前波陡較大的極端波浪對船艏的“抨擊”特點更為明顯，而對稱波面的極端波浪對船艏的波浪力幅度相對較低，但持續時間較長。文中指出，對于抨擊力估計，峰前波陡是非常重要的一個參數，且波峰值比波高更有價值。

圖5 波浪剖面圖Fig.5 Comparison of wave profiles

圖6 FPSO船艏頂部和中部受力圖Fig.6 Wave forces on the FPSO bow(top segment and middle segment)

Pang等（2004）[37]在基于有限元的數值波浪水池中結合相速度法和波群速法模擬生成瞬態極端波浪，并基于Morison公式和細長體理論計算得到其對小尺度樁柱的波浪力。波浪力的計算結果與Chaplin等（1997）[36]中的實驗結果吻合較好。此外，通過對極端波浪力矩進行不對稱性分析可知，極端波浪對樁柱的作用具有瞬時性，是一種脈動沖擊力。

Bai和Eatock Taylor（2007）[20]研究了聚焦波浪下圓柱波浪力的特點，發現當波浪聚焦點位于圓柱下游側面時出現最大的正向波浪力。

Paulsen等（2013）[38]通過物理實驗和OpenFOAM數值模擬研究了極端波浪及其作用下垂直圓柱波浪力的時域和頻率結果。通過對比發現，數值結果總體上與實驗結果吻合較好，但對波浪力高階頻域結果而言，兩者相差較大。原因在于，數值模擬中圓柱是理想化固定的而實驗中固定的圓柱存在特征運動，這引起了明顯的高階力成分。

Li等（2014）[39]通過能量聚集方法在物理水池中生成三維聚集極端波浪，研究了三維聚集波浪下圓柱的波浪力的特點。結果顯示，波浪剖面形狀對波浪力的大小有重要影響，而聚集波浪幅值、譜峰周期、波譜寬度及方向分布參數和聚焦波浪剖面形狀密切相關。

楊冠生（2002）[40]基于一些極端波浪在波形上和同水深、同波高、同周期的Stokes五階波相近的情況，提出通過對Stokes五階波進行改造來估算極端波浪對垂直圓柱的水平作用力。

耿寶磊等（2010）[41]通過高階邊界元法建立了波浪對結構物作用的時域計算程序并利用Morison公式計算極端波浪繞射場作用下細小桿件的波浪載荷。結果顯示，樁柱所受到的總的波浪力為入射波波浪力的1.18倍，繞射波浪力的貢獻較為明顯。因而，對于由大尺度結構和小尺度桿件組成的復合結構的波浪力問題，應充分考慮繞射場和輻射場產生的波浪載荷。

上述研究顯示，現有的波浪載荷理論對于極端波浪作用下波浪力預估并不適用，且極端波浪下的波浪力大小受多種因素的影響。此外，極端波浪作為一種具有極大波高的強非線性波浪，其受到海洋結構物的阻擋時極有可能發生破碎并引起強大的沖擊載荷。在這方面，Suchithra和Koola（1995）[42]采用實驗手段研究了極端波浪對水平平板的抨擊作用，并建議在設計中采用一個與波頻無關的抨擊力系數。沈玉稿等（2013）[43]通過物理實驗研究了極端波浪對風機樁柱的抨擊波浪力，發現抨擊波浪力FI與最大波浪爬升高度成正比。波峰周期對最大波浪力有重要影響，而聚焦位置對最大波浪力的幅值影響較小。

極端波浪的大波往往突然出現又迅速消失，是一種瞬態現象。為了揭示極端大波出現時波浪本身及其引起的強非線性波浪力的能量特征和它們之間的相互聯系，小波分析方法作為一種能夠揭示信號時頻細節的強大工具被廣泛應用在強非線性波浪力特別是沖擊波浪力的分析研究中。例如，Kwon等（2005）[44]對極端波浪及其引起的抨擊波浪力進行連續小波變換，結果顯示極端波浪時歷和波浪力時歷中含有高頻的成分。通過對兩者進行光滑小波相關性分析，證實了極端波浪的高頻成分引起了非線性波浪力中的脈動沖擊力。此外，為了研究聚焦波浪引起的波浪力高次諧波成分的特征，Ma等（2009）[45]采用尺度平均小波能譜分析了入射波浪和波浪力前6階諧頻成分的能量變化。結果顯示，在極端大波附近波浪能量和波浪力能量遠遠大于其他時刻，且高階諧頻能量相對主頻能量明顯要小。值得注意的是，盡管入射波浪的4階、5階諧頻成分幾乎可以忽略，但對波浪力而言4階和5階諧頻成分大小與2階諧頻成分相當，且明顯高于3階諧頻成分。為了解釋這個現象，文中采用基于小波的雙相干譜來分析波浪力中二次相位耦合情況。結果表明，1階成分和3階成分、1階成分和4階成分的二次相位耦合明顯強于1階成分和2階成分，且4階、5階諧頻成分相對于3階成分有更多的相位耦合組成方式，這很好地解釋了4階和5階諧頻成分較大的現象。

4 極端波浪作用下海洋結構物運動及結構載荷響應

極端波浪伴隨著強大而急劇的能量，在其沖擊作用下，海洋結構物將可能產生較大的結構內力，同時可能出現劇烈或大幅度運動。目前，針對極端波浪作用下海洋結構物運動和動力響應的研究主要包括：極端波浪引起的海洋結構物結構載荷研究、極端波浪引起的TLP高頻共振響應以及極端波浪引起的海洋平臺急劇的運動響應等。表1匯總了近十年以來極端波浪與海洋結構物相互作用的實驗研究情況。其中，大多數的研究采用模型實驗與時域數值模擬相結合的手段，對海洋工程裝備（如半潛、FPSO）或大型貨輪、艦艇等在極端波浪作用下的結構載荷進行討論和分析。

表1 極端波浪對海洋結構物作用實驗研究匯總Tab.1 Experimental investigations on interactions between extreme waves and marine structures

具體言之，Clauss等（2003）[46]采用頻域計算程序WAMIT和時域計算程序TIMIT對半潛平臺GVA 4000在“新年波”作用下的垂蕩、縱搖、結構剖面力（splitting force）及氣隙等進行了研究。文中通過模型實驗驗證了數值計算結果，表明了基于勢流理論的數值計算模型適用于計算極端波浪下半潛平臺的運動和結構載荷響應。結果顯示，運動響應的極值與極端波浪波高直接相關，但其增長的速度要低于波高增長的速度。此外，Deng等（2014）[55]采用勢流計算軟件SESAM對一座半潛平臺在“新年波”下的運動響應也進行了研究。研究表明，極端波浪能夠引起大幅度的低頻縱蕩響應以及急劇垂蕩和縱搖運動。同時，通過研究一系列不同參數特征的極端波浪作用下半潛平臺的運動響應，發現半潛平臺垂蕩和縱搖運動幅值與極端波浪波峰值約成正比。對于“三姐妹”波型的極端波浪，半潛平臺垂蕩和縱搖運動幅值還與連續大波之間的時間間隔密切相關。

Soares等（2006）采用“優化”波方法在物理水池中重現了實測“新年波”時歷，并結合數值計算研究了FPSO在其作用下的運動響應和垂向彎矩響應。該研究的目的在于評估在決定FPSO的設計載荷時是否需要額外考慮極端波浪的情況。通過對比顯示，基于非線性切片理論和線性輻射—繞射理論的非線性時域計算結果與實驗結果吻合較好（圖7），計算結果能夠反映出中垂和中拱彎矩峰值的不對稱特點。另外，研究發現極端波浪出現的位置對垂向彎矩最大值的影響較小。“新年波”作用下FPSO的最大垂向彎矩低于規范值10%左右，意味著FPSO能夠抵擋“新年波”引起的垂向彎矩響應。此外，Clauss（2008）[49]也對類似的一艘FPSO在極端波浪下的垂向彎矩響應進行了實驗研究，并側重分析了極端波浪出現位置對垂向彎矩響應的影響。Fonseca等（2005）[48]利用非線性時域計算程度對該FPSO在“新年波”、北阿爾文海域的17個極端波浪以及墨西哥灣“卡米拉”颶風期間的2個極端波浪下的垂向彎矩響應進行了研究，并分析了極端波浪波高、波長及波形對FPSO結構載荷的影響。

圖7 運動響應與垂向彎矩的結果對比Fig.7 Comparisons of motion responses and vertical bending moments

Clauss等（2009）[50]在德國柏林工業大學海洋工程部的水池中對一艘散貨船模型在“新年波”作用下的運動響應和垂向波浪彎矩進行了實驗研究。結果表明，頻域計算對于估算最大垂向彎矩是能夠勝任的，但是時域的研究能夠揭示特定的波物作用細節（如局部抨擊和甲板上浪）。此外，數值計算和實驗結果均表明極端波浪作用下該散貨船的波浪載荷滿足IACS規范的要求。

Clauss等（2010）針對“新年波”對具有不同干舷高度的集裝箱船的垂向彎矩載荷進行了實驗研究。如圖8所示，右圖為原始設計干舷的集裝箱船，左圖為具有擴展干舷的集裝箱船，“新年波”的目標位置位于集裝箱船的首垂線處。實驗結果顯示，“新年波”等極端波浪引起的結構載荷較為嚴重，且不同干舷情況下中垂彎矩大小差別較大。例如，在加裝擴展干舷的情況下，極端波浪的作用面積有所增加，其引起的中垂彎矩比沒有擴展干舷的情況增加30%左右。

圖8 “新年波”與不同干舷集裝箱船相互作用實驗Fig.8 Experiments on interactions between New Year wave and container ships with different freeboard

Clauss等（2011）對一艘滾裝船在“新年波”和“北阿爾文波”等極端波浪下的垂向彎矩載荷進行了實驗研究。通過對比“新年波”分別出現在首垂線和船中兩個位置時滾裝船的垂向彎矩結果，發現極端波浪出現的位置對垂向彎矩載荷大小影響較小。對比不同波高的規則波下滾裝船垂向彎矩的RAO顯示，由滾裝船船體水平不對稱性引起的垂向彎矩載荷不對稱隨著波浪波高和波陡的增加而更加顯著。最后，通過比較有無航速的滾裝船在“新年波”、“北阿爾文波”兩個波浪時歷中的垂向彎矩載荷，發現垂向彎矩載荷最重要的影響因素仍然是相對波長Lw/Lpp。例如，由于“北阿爾文波”的相對波長更接近1.1，其引起的垂向彎矩載荷與有義波高更大的“新年波”相當。此外，極端波浪序列中大波前后的波谷深度對垂向彎矩大小的影響也較為明顯。盡管如此，“新年波”等極端波浪能夠引起較大的中拱彎矩，特別是波峰較陡的情況。

Bennett等（2013）[53]在拖曳水池中根據“新波”理論和“優化波”理論等生成了多種極端波浪，并研究了在普通隨機波浪和極端波浪下船艦航速對其運動響應的影響。結果顯示，在極端波浪作用下，艦船的垂蕩運動幅度隨著航速的增加而增大，而縱搖運動幅度則隨著航速的增大而減少，表現為艦船如穿過隧道般地穿過極端波浪并引起嚴重的甲板上浪。艦船運動的最大幅值與其運動的歷史有關，尤其是在航速較高的時候。因而，在極端波浪下艦船運動的極值不一定大于同樣波高的隨機波浪作用的情況。除此以外，作者還采用了二維線性切片理論和改進的三維非線性耐波性計算模型計算極端波浪下艦船的運動響應。結果顯示，由于文中研究的艦船具有細長體的特點，二維切片理論能夠給出較為合理的運動響應結果。同時，隨著波高和航速的增大，三維非線性模型的計算結果與實驗結果更為吻合。

在張力腿平臺（TLP）的共振響應機理研究中，學者們發現，TLP平臺的高頻共振響應在強非對稱波作用于平臺樁柱時出現，且由脈動水平力引起[56]。因此，在極端波浪對海洋結構物的運動響應研究中，相當一部分研究聚焦在強非線性極端波浪引起的TLP平臺的高頻共振響應上。例如，Kim等（1995）[57]對TLP平臺在強非對稱極端波浪、Stokes五階規則波和非線性不規則波這三種非對稱波浪作用下的波浪力和運動響應進行了實驗研究。實驗結果顯示，只有強非線性的極端波浪對TLP平臺產生了沖擊力（Impact），并使得TLP平臺產生了瞬態高頻共振響應。Chaplin等（1997）[36]在物理水槽中對瞬態極端波浪下單個帶剛度系數的圓柱的運動響應進行了研究，發現了圓柱在極端瞬態大波經過后出現高頻共振響應。Zou等（1998）[58]在實驗室中研究了風暴海況下TLP平臺的共振響應現象，發現弱非線性波浪只產生彈跳（Springing）響應，而強非線性波浪抨擊TLP平臺立柱時會出現高頻共振現象。此外，肖鑫（2009）[59]針對一座TLP平臺在不同平均周期極端波浪作用下運動和動力響應進行時域計算。通過分析發現，平臺波浪力、運動響應幅值及張力腿受力的峰值隨極端波浪平均周期的增加而增加。谷家揚等（2013）[60]采用隨機波疊加瞬態波的方法模擬了“新年波”波形，并通過耦合動力響應程序分別對張力腿在“新年波”和隨機波作用下的運動和動力響應問題進行了研究。研究表明，在“新年波”作用下平臺所受的波浪力較隨機波增長約1/4，縱蕩、垂蕩及縱搖響應幅值分別增加33%，38%和12%，張力腿張力幅值增加20%左右。Chandrasekaran和Koshti（2013）[61]通過求解張力腿的運動方程對其在“新年波”和北海極端波浪作用下的運動響應問題進行了研究分析，認為如果在張力腿平臺設計過程忽略極端波浪帶來的威脅，將可能引起平臺的嚴重破壞。文章研究表明，TLP的動力響應對波浪周期和入射角度十分敏感。

此外，由于瞬態聚焦波浪在一個大波中含有一系列的波頻成分，利用其快速獲得頻域內的某些傳遞函數也是聚焦極端波浪的一個重要應用。Davis和Zarnick（1966）[62]最先采用瞬態聚焦波浪研究船舶運動幅值響應算子（RAOs）。相對于規則波和不規則波，利用瞬態聚焦波獲得運動響應的RAO時間較短，且能避免波浪反射造成的影響，尤其是長波的情況。Roux de Reilhac等[54]分別采用規則波、不規則波和瞬態聚焦波實驗獲得一艘浮式駁船縱蕩、垂蕩和縱搖運動的RAO。然而，由于瞬態聚焦波具有較高的波高，其本身及其引起的運動響應含有明顯的非線性成分，這與RAO的線性傳遞性質不符。為此，文中采用了波峰波谷聚焦方法將瞬態聚焦波和運動響應中的奇偶階成分分離，從而獲得線性的RAO結果。

5 結 語

極端波浪對海洋結構物的破壞并不少見，如波浪爬升、抨擊等局部作用引起的結構屈曲失效，巨大的垂向彎矩載荷可能引起艦船整體斷裂，爆發性的波浪力可能引起高頻共振響應、大幅度運動甚至海上結構傾覆現象。海上事故一旦發生，損失將十分慘重。針對極端波浪對海洋結構物的強非線性作用，目前國內外大部分研究集中在極端波浪引起的爬升與抨擊壓力、非線性波浪力以及極端波浪引起的結構載荷和運動響應上。盡管這些研究已經呈現了極端波浪與海洋結構物強非線性作用的一些現象和規律，但還存在許多不足亟待深入研究。首先，針對極端波浪對海洋結構物的局部非線性作用，波浪爬升和抨擊載荷作用下的結構非線性動力響應和動態屈曲問題的研究還非常罕見。其次，極端波浪對海洋結構物強非線性波浪力的作用機理還不明晰，未能提出有效的強非線性波浪載荷預報模型。最后，極端波浪可能引起的海洋平臺的大幅度運動響應特征，以及此時系泊載荷因發生系纜松弛—張緊變化而急劇放大和系纜破壞過程研究則更是屈指可數。極端波浪與海洋結構物強非線性作用，涉及面廣，過程復雜，對此開展更加全面深入的研究對保障海上結構物及人員的安全至關重要。

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A review on the nonlinear interactions between extreme waves and marine structures

DENG Yan-fei,YANG Jian-min,XIAO Long-fei,LI Xin
(State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Considering the potential threats due to extreme waves,interactions between extreme waves and marine structures have been receiving more and more attentions.In order to assess the possible damage induced by extreme waves,in-depth investigations on the wave run-ups,slamming,nonlinear wave forces, motion responses and structural loadings due to extreme waves are required.For these issues,a great many studies based on numerical simulations,model tests or wavelet analyses were conducted and some meaningful conclusions were achieved.This paper presents a state-of-art review on the nonlinear interactions between extreme waves and marine structures.

extreme waves;marine structures;nonlinear interactions;review

U661.1

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2016.07.015

1007-7294（2016）07-0917-12

2016-04-21

國家自然科學基金重點項目（51239007）

鄧燕飛（1989-），男，博士研究生；楊建民（1958-），男，教授，博士生導師，通訊作者，E-mail:jmyang@sjtu.edu.cn。