無掩護狀態下的游艇碼頭波浪力研究

盧笙

摘 要：游艇碼頭是新興事物，結構設計中外力計算一般參考現行碼頭規范，本文介紹了相關規范、手冊中關于游艇碼頭波浪力計算的不同算法，并利用有限元模擬軟件進行了對比分析，可為相關的設計提供一定的技術參考。

關鍵詞：游艇碼頭；水平波浪力；計算；數值模擬；對比

中圖分類號：U652 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）7-0042-03

近年來，隨著國民經濟的發展及群眾生活水平的提高，國內游艇業發展迅猛，2014年7月，交通部發布了《游艇碼頭設計規范》，對游艇碼頭的規劃、平面布置、結構設計等作出了詳細規定，但在外力荷載計算上，并未根據游艇碼頭的特點提出針對性的計算，波浪荷載可根據《港口與航道水文規范》進行計算。資料不足時，水平波浪荷載可取2kpa，條文說明中說明了該值參考了英國游艇碼頭行業準則。

一般情況下游艇碼頭位于防波堤內側，波高通常小于0.5m，受到的波浪力不大，因此波浪力不是主要控制外力，水平波浪荷載取2kpa完全可以滿足設計要求。但仍有部分游艇碼頭位于大型江河兩側，當高速行駛的船只經過時會引起較大的波浪；或是在半封閉的防波堤內部，波浪折射入港內時波浪仍較大，波高較高，此時對波浪力一概以2kpa取值是不盡合理的，應對波浪力著重核算。

1作用于浮體上的波浪力計算方法

在《港口與航道水文規范》中介紹了波浪作用于直墻式建筑物時，分為立波、遠破波及近破波三種波態，按照直墻前水深、基床形式、波高、波長的相互關系，來進行判斷及計算。當相對水深d/L=0.1～0.2、波陡H/L≥1/30，對于作用于直墻前的立波波峰力，一般采用森弗羅（Sainflou）簡化法計算，與實際情況相比是偏于安全的。而當相對水深0.2

而對于波浪力作用于水面處上下透空的浮箱時，影響其受力的因素很多，波浪反射較小，基本無法形成立波。同時波浪能量從上下方越過，都一定程度削減了作用于建筑物的水平力。因此計算作用于浮體的波浪力時，如采用森弗羅簡化法或歐拉坐標有限振幅一次近似解，得到的結果均偏大。

《海港工程設計手冊》中介紹了作用于船體上的波壓力的計算方法，當波浪橫向作用于船體上時，有部分波浪越過船體，部分波浪被局部反射，相較于作用于直墻建筑物上被完全反射的立波，船體正面的干涉波高將大于原始波高，又小于遇直墻發生完全反射的立波波高，計算的結果更符合實際情況。

干涉波高數值上等于原始波高與局部反射波高之和，可用下式進行計算。

Hr=Kr H，Kr為局部反射系數：

式中：L—波長（m）；d—水深（m）；T—船體水面以下高度（m）；η—入射波波峰在靜水面上的高度（m）；

干涉波高為：Hd=2Hr+（H-Hr）=H+Hr

一般游艇碼頭是固定于定位樁上的，僅能上下移動，因此算法應滿足工程精度要求。下文通過工程實例，對浮體上所受水平波浪力進行計算，并利用流體力學有限元軟件進行數學模擬，以驗證上述波浪力計算。

2水平波浪力理論計算與數學模擬的對比

2.1利用工程實例對水平波浪力進行計算

本次計算利用位于浙江省寧波市某處位于天然避風港內的游艇碼頭，由于避風條件良好，工程未修建防波堤，但由于風區較寬廣，風成浪傳到游艇碼頭處波高仍較大，經推算游艇碼頭處波高約1m。

本工程建造游艇泊位44個，以及過橋墩、人行便橋等接岸設施。碼頭平面呈梳式布置，均為中小型游艇泊位。碼頭主浮橋通過人行便橋及便橋浮筒等與后方陸域連接。

碼頭主浮橋寬3.0m，長為139m，主浮橋東側垂直布置8個小型游艇泊位，長58m。輔助浮橋長21m，寬1.2m。浮橋除中部梳式浮橋采用內樁式鋼管樁定位外，其余均采用外樁式鋼管樁定位。采用浮箱結構游艇碼頭通過Ф600鋼管樁進行固定，其主浮橋主要采用2400×2000×500mm（長×寬×高）增強塑料浮箱，輔助浮橋采用1100×900×550mm（長×寬×高）增強塑料浮箱，浮箱內部填充聚苯乙烯泡沫，并在浮箱下加配重，主浮橋和輔助橋配重后浮箱干舷高度315～500mm（空載為大值，滿載為小值）。

游艇碼頭主要設計條件如下：

設計高水位：2.90m （高潮累積頻率10%）

設計低水位：-2.20m （低潮累積頻率90%）

波浪力計算參數：

計算采用的參數如下：波高H=1m，波長L=20m，周期T=3.5s，水深d=5m，浮箱寬2m，高1m，其中水下0.5m，水上0.5m，。

2.2浮體上受到的水平波浪力計算

（1）根據《港口與航道水文規范》，波浪作用于直立墻式建筑物上的立波作用力，按下式計算：

靜水面處波浪壓強：

采用上述公式計算后，根據計算結果繪制波壓力圖形，需截取作用于浮箱上的波浪力，按浮箱高度對作用力進行簡化為平均壓強，結果為8.67kpa。由于未能考慮波浪繞過浮箱減少的波浪力，計算結果偏大。

（2）根據《海港水文設計規范》，為簡化計算，可將干涉波視為完全反射的立波來繪制波壓力圖形，入射波高由原始的H調整為H，即H可取干涉波高Hd的一半。

這樣水深d處的壓強為：

水面處的壓強為：

根據計算結果繪制波壓力圖形（見圖2），同樣簡化為平均壓強，結果為5.84kpa，由于將浮體視為不動，因此結果也比實際偏大。

2.3利用有限元軟件模擬波浪力計算

利用流體力學軟件Ansys Fluent來建立模擬波浪與浮體相互作用的水槽，利用VOF法對運動界面進行追蹤，RNG k-ε模型來模擬紊流。

建立長125m，寬50m的水槽，水深5m。浮體尺寸為10×2×1m，將浮體置于水槽中央，以避免太過接近入口造成波浪入射及反射疊加而造成波形紊亂。水槽四壁及底部均設置為wall，為減少計算量只在浮體迎波面設置了壓力入口。水槽端部為速度入口造波，設置波浪方向沿x軸正向傳播，波高為1m，共設置50個網格，每個網格0.02m，可較準確的捕捉波浪運動。計算域中網格數共約68萬個。

采用速度入口造波，波浪參數為波高1m，波長20m，周期3.5s，波浪穩定傳至浮體后，取出浮體迎波面的壓強值進行分析，可看出壓強隨時間波形變化形狀良好，表示網格分割合適。取出迎波面最大壓強為3470.8pa，即3.47kpa。

3不同計算結果對比

綜合理論計算與數值模擬的結果，計算作用于定位樁上的水平波浪力，可用于驗算定位樁的強度。

不同的計算結果對比如表1：

從對比結果可得出，港航水文規范計算所得為直立面上的波浪力，波浪全反射，得出的結果最大。而游艇碼頭規范未考慮港內波浪較大時的狀況，得出水平力最小，與最大水平力之間相差了3倍有余，直接用于工程設計恐有安全隱患。建議當波高大于0.5m時，應另行驗算波浪力。而海港手冊考慮波浪的局部反射，與正面的波高互相干涉，計算結果與數學模型最為接近，稍大于數模計算的值也是偏安全合理的。

4結語

不同于游艇碼頭已成熟的歐美市場，國內游艇碼頭的建設正在起步。與國外情況不同，國內已有不少游艇碼頭都處于無掩護狀態下，簡單按照規范來計算結構可能會造成結構強度不足或是不必要的浪費。本文結合工程實例，通過對國內不同規范和手冊的研究，并與有限元模擬軟件計算結果互相對比、印證，提出了水平波浪力取值的建議，對其他處于無掩護狀態下的游艇碼頭波浪計算提供了參考。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國交通運輸部.游艇碼頭設計規范.JTS165-7-2014[S].

[2] 中華人民共和國交通運輸部.港口與航道水文規范.JTS 145-2015[S].

[3] A Code of Practice for the Design Construction and Operation of Coastal and Inland Marinas and Yacht Harbours.British.2013[S].

[4]交通部第一航務工程勘察設計院.海港工程設計手冊，中冊[S].人民交通出版社.