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地震和波浪作用下表面波条件对海水动水压力的影响郭康康;赵密;杜修力;许成顺;王亚东【摘要】The ocean site is usually simplified as the seawater-seabed-bedrock system under the obliquely incident earthquake,where the seawater is ideal fluid,the seabed is poroelastic media,and the bedrock is elastic solid.In this paper,the analytical solution to the dynamic responses of the ocean site with the surface wave condition is derived.The influence of the surface wave condition on the ground motion hydrodynamic pressures of seawater is studied.Our results show that when the frequency is higher than 0.5 Hz,the surface wave condition is almost no effect.If the frequency is lower than 0.5 Hz,the effect is significant.The closer to the surface position and the lower frequency will enhance such effect.Because the excellent frequency of actual ground motion is generally larger than 0.5 Hz,the assumption of the rest surface condition isreasonable.However,since the wave is low frequency load and its frequency usually is less than 0.5Hz,the effect of the surface wave condition is more significant under the action of earthquake and wave than under only earthquake.%地震动斜入射条件下海洋场地简化为理想流体海水-两相介质海床-弹性固体基岩系统模型,通常假定为静水液面条件.本文以地震动SV波为例,推导了表面波条件下海洋场地动力反应解析解,研究了表面波条件对海水动水压力的影响.研究表明,表面波频率在大于0.5Hz时对海水动水压力几乎无影响,在小于0.5Hz范围内有影响,且越接近水面、频率越低时影响越显著.实际地震动卓越频率通常大于0.5Hz,因而地震动作用下采用忽略表面波条件的静水液面假定是合理的.进一步结合线性波浪理论,研究SV波和波浪联合作用下表面波条件对海水动水压力的影响.研究表明,由于波浪属于低频荷载且频率通常小于0.5Hz,在地震和波浪联合作用下表面波条件的影响较地震单独作用更为显著.【期刊名称】《震灾防御技术》【年(卷),期】2017(012)001【总页数】11页(P166-176)【关键词】表面波条件;地震;波浪;海水动水压力【作者】郭康康;赵密;杜修力;许成顺;王亚东【作者单位】北京工业大学,城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京100124;北京工业大学,城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京100124;北京工业大学,城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京100124;北京工业大学,城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京100124;北京工业大学,城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京100124【正文语种】中文海洋环境极端恶劣，自然海床处于复杂的荷载环境中，荷载包括波浪、海流、风、冰和地震等。
沿海工程中的波浪与海浪数值模拟近年来，沿海工程的建设如火如荼，随之而来的是对波浪与海浪的数值模拟需求逐渐增加。
波浪与海浪数值模拟是指通过数值方法对海洋中波浪与海浪的变化进行模拟和预测，旨在为沿海工程的规划、设计和施工提供科学依据。
本文将简要介绍沿海工程中的波浪与海浪数值模拟的方法和应用。
波浪与海浪的数值模拟主要通过计算流体力学方法来实现。
其中最常用的方法是雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)和傅里叶波谱方法。
RANS方法基于连续方程和雷诺应力方程，通过求解这些方程来模拟波浪和海浪的行为。
傅里叶波谱方法则是通过将波浪与海浪分解为一系列正弦波来进行模拟。
这些方法在研究波浪传播、波浪反射、波浪干涉以及波浪对结构物的作用等方面具有重要意义。
在沿海工程中的具体应用方面，波浪与海浪的数值模拟可以用于确定海域的波浪条件，为工程设计提供基础数据。
通过模拟不同海况下的波浪变化，可以评估工程结构物的稳定性和安全性。
例如，当设计海上风电场时，需要考虑到不同风况下的波浪变化对风机和输电线路的影响。
此时，数值模拟可以帮助工程师预测海上波浪的变化情况，为风电场的布局和设计提供参考。
另外，波浪与海浪的数值模拟还可以用于预测海洋灾害，提前做好灾害防护准备。
例如，在台风来临前，通过对海浪的数值模拟可以预测台风引起的海浪高度和波浪周期，为沿海地区的防护工程和灾害应对提供重要依据。
这在沿海地区的防患于未然上具有重要意义。
此外，波浪与海浪的数值模拟还可以用于优化沿海工程结构物的设计。
通过对波浪在结构物上的作用进行模拟，可以评估结构物的稳定性、耐波性能以及对波浪的反射和干涉情况。
这为工程师提供了宝贵的信息，可以优化设计方案，提高工程结构物的安全性和可靠性。
同时，在实际的波浪与海浪数值模拟中，还需要考虑一些特殊因素。
例如，海底地形、海流和潮汐等因素都会对波浪的传播和变化产生影响。
因此，在模拟中需要考虑这些因素的综合影响，提高模拟结果的准确性和可靠性。
海浪谱的研究现状海浪谱是描述海浪的频谱特性的数学工具。
它通常用于描述海洋工程、海洋天气预报和海洋科学中与海浪有关的现象和过程。
海浪谱的研究是海洋科学领域的重要研究方向，其研究现状主要表现在以下几个方面。
首先，海浪谱的测量技术得到了显著的提升。
传统的海浪观测主要依靠浮标、船只和海底测量站等固定或移动平台来采集观测数据，这种方法难以对较大尺度的海浪进行全面观测。
近年来，随着可编程逻辑器件和数字信号处理技术的发展，出现了可以连续记录海面高度的高精度测量设备。
此外，卫星观测技术的进步也使得对全球范围内的海浪进行观测成为可能。
这些新技术为海浪谱的研究提供了大量的高质量数据，促进了相关研究领域的发展。
其次，基于测量数据的海浪谱分析方法得到了进一步的改进。
传统的海浪谱分析主要依赖于经验公式和统计方法。
近年来，通过对观测数据的深入分析，研究人员发现海浪的谱特性表现出非线性、非高斯分布的特点，而传统方法在描述这些特点时存在一定的局限性。
因此，研究人员提出了多种基于海浪非线性特性的谱分析方法，如小波变换、独立成分分析和奇异谱分析等。
这些新方法在海浪谱研究中得到了广泛应用，提高了海浪谱分析的准确性和可靠性。
此外，海浪谱的数学模型也得到了改进和完善。
海浪的形成和演变是一个复杂的非线性过程，传统的海浪数学模型难以真实地模拟这些过程。
近年来，研究人员提出了一系列基于非线性波动方程的数学模型，如KdV方程、NSWE方程和Boussinesq方程等。
这些新模型在描述海浪的传播、相互作用和能量转移等方面具有更高的准确性和可靠性，为海浪谱的研究提供了有力的工具。
最后，海浪谱的应用领域正在不断扩展。
海浪是海洋工程和海洋交通的重要影响因素，认识和预测海浪谱对于合理设计和安全运营这些海洋工程和交通设施至关重要。
近年来，海浪谱的研究正在逐渐向海洋可再生能源、海洋环境保护和海洋资源开发等方向扩展。
研究人员通过对海浪谱特性的深入研究，为海洋可再生能源的开发提供了理论指导和数据支持，有助于提高可再生能源的利用效率和可持续发展。
133 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 工 程 技 术墩柱周围水流问题研究中,传统的测量方法是点测量,[1]因而无法获得全场的同步信息。
近年来,随着图像处理技术和信号分析理论的迅猛发展,实验设备的数字化给流体力学的研究领域注入了新的活力。
[2]利用这些新型技术手段不仅能够直观地记录流动现象,还能够比以往更为准确地揭示流动的规律,这些技术已然成为水流问题研究过程中的重要的手段。
[3]本文在分析面流场时采用了粒子图像测速技术,[4]对圆柱型桥墩模型绕流的流场特性进行了分析。
1 实验装置介绍1.1试验仪器设备参数试验是在大连理工大学海岸及近海国家重点实验室的P I V 水槽进行。
水槽长22m,宽0.4m。
在测量中运用PIV(粒子成像技术)和ADV(声学多普勒流速仪)两种仪器结合的方法。
PIV流速测量系统为美国TSI公司生产。
A D V 为n o r t e k 公司产的Vectrino+。
1.2试验方案设计实验用圆柱直径为6cm,取0.1、0.15、0.25m /s 三种来流速度,激光取样频率为15Hz。
2 圆柱型桥墩绕流流场特性分析2.1频谱特性分析(图1)本实验中流速仪的采集频率设定为100Hz,远高于大尺度涡旋从圆柱后脱落频率,因此分析可以得到旋涡从圆柱后脱落时的频率。
本文提取圆柱正后方5c m、水深5cm处的三维速度观测数据进行分析,得到三种流速下与流速垂直方向的脉动流速频率振幅。
2.2瞬态流场分析为了更清晰地考察旋涡从圆柱后脱离时的流场情况。
用瞬时流线图记录圆柱后方漩涡发展过程。
取样实验组次来流速度为0.1m/s,雷诺数为6000,此时圆柱后方为紊流状态。
在旋涡从圆柱下方脱落的同时,旋转方向与方柱下方脱落旋涡的旋转方向相反。
圆柱下方旋涡脱落后向上运动时,卷吸紧贴圆柱后方的低速流体,几何尺寸不断变大。
脱落的旋涡继续向下运动,当第二个漩涡形成之时,由于两个旋涡的旋转方向相反,相互影响,下游的旋涡的能量被削弱。
波浪荷载在各种工程中的确定在海洋工程中，无论是在石油钻井平台还是跨海工程，波浪荷载对结构的破坏都是不容忽视的因素。
在海上大跨度桥梁的建设中，无论是施工过程还是整体设计，波浪荷载的研究都有重大工程意义，特别是对于诸如斜拉桥、悬索桥桥塔等大型墩式结构，更是如此。
波浪力的计算需要两方面理论的支持：波浪运动理论及波浪荷载计算理论。
前者研究波浪的运动，后者在已知波浪运动的前提下计算波浪对水中物体的作用。
对于规则波，常采用的波浪运动理论有Airy 理论、Stokes 理论、椭圆余弦波以及孤立波理论。
Airy 理论以静水面代替波面，适用于振幅较小、水深较大的情况；Stokes 理论可以考虑波高的2阶以及更高阶项，Airy 理论可认为是Stokes 的1阶形式；椭圆余弦波计算较为繁琐，工程运用仍较少；孤立波理论用于考虑孤立波，即水质点相对水体移动的非振动波。
关于波浪荷载计算理论，不同的结构形式是不同的。
而小直径桩的波浪荷载计算主要采用试验测量及经验分析的方法。
其中，使用最广泛的是Morrison 于1952年提出的莫里森公式，这一公式本身以及有关的试验测量理论和测量资料，都有了很大的进展，已被许多国家的设计规范所采纳。
下面我将对波浪荷载理论及其在近海结构、跨海结构、钻井平台结构中的运用作简要叙述。
1 常用的波浪运动理论1.1 微幅波理论微幅波理论是应用势函数来研究波浪运动的一种线性波浪理论。
（1）水深无限时推进波的势函数：sin()2kz gH e kx t φωω=- H 为波高，ω为波浪圆频率，2T πω=， k 为波数，2k L π=。
在无限水深的推进波中波周期T 与波长L 0不是独立的，他们之间具有一定的关系：200022gT L L gT c T ππ====0c 为波速。
（2）水深有限时推进波的势函数：()sin()2gH chk d z kx t chkdφωω+=⋅- 在有限水深的推进波中波周期T 与波长L 的关系为：222gT L thkd L gT c thkd T ππ====假定波浪在浅水中推进时，其波周期T 保持不变，则：00L c thkd L c == 它说明了在微幅波理论适用的范围内，波浪由深水向浅水推进时的波长与波速变化规律。
东海大桥桥墩冲刷分析与防护方案效果试验研究一、引言东海大桥是国内十大海上大桥之一，设计时考虑了诸多因素。
但是，作为海上大桥，在面对强风和大浪时，桥墩若遭受猛烈的海水流冲刷，将会直接影响桥墩的稳定性和安全性。
因此，对于桥墩的冲刷问题进行分析以及采取相应的防护措施至关重要。
二、桥墩冲刷分析1.总体情况分析东海大桥是位于一个海湾内的大桥，桥墩则是直接暴露在海湾中的。
海湾内的水流条件复杂，可能有南北不同的季节性风势和潮汐等因素的影响，容易造成海流的急剧变化，这就使得桥墩经常受到大量海水的冲刷和侵蚀。
2.桥墩冲刷原因桥墩冲刷通常是由以下因素导致：（1）风力因素：对于东海地区，寒冷季节最容易出现龙卷风（也就是俗称的“台风”），同时风力也很大，将海面掀起的浪花不断地撞击桥墩表面，将桥墩侵蚀。
（2）潮汐因素：桥墩周围的水流速度和方向也是导致桥墩侵蚀的重要因素。
在汛期或者大潮的时候，浪花和水流的力量都会攻击桥墩表面，如果桥墩表面没有有效的保护措施，很容易在水流的淘刷下受到损坏。
3.桥墩冲刷来源桥墩冲刷来源有以下三种：（1）风浪加载下的海水流冲击，如台风、强烈暴风等。
（2）潮汐周期性加载下的海水流冲击。
（3）船舶撞击。
4.桥墩冲刷形式桥墩冲刷形式主要有以下三种：（1）冲刷穴及缝：在强大的海水冲刷下，桥墩表面多孔岩体、表面级之类的缺陷区都极易受到侵蚀。
（2）坑穴等凸起物的磨损：侧向海水流对桥墩表面的坑穴、石头等凸起物进行圆角磨损，这也加剧了桥墩表面的磨损程度。
（3）磨蚀皮肤剥落导致桥墩表面粗糙度增加，闭环面穿透深度增加。
5.桥墩冲刷的危害桥墩冲刷对于桥梁的稳定性和安全性都会产生重大的影响。
首先，冲刷程度严重的桥墩会使得桥梁的承载能力下降，从而影响桥梁的正常使用。
其次，桥墩冲刷也会造成轻微或严重的物理损坏，如果桥墩的脱落程度很高，将会威胁到船舶通行的安全。
另外，也会对于海洋生态产生恶劣的影响。
三、桥墩冲刷防护方案为了防止桥墩被海水冲刷和损坏，我们需要采取一些有效的防护方案。
文章编号：1000-4750(2021)01-0040-12水流作用下双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应实测与数值模拟华旭刚，邓武鹏，陈政清，唐 煜(湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，湖南，长沙 410082)摘 要：西藏达林大桥为一座7跨桥面连续的混凝土梁桥，下部结构采用双圆柱桥墩。
2018年7月，在水流作用下达林大桥桥墩及桥面出现了显著的顺桥向振动。
该文报道了水流作用下大桥的动力响应实测与数值模拟研究。
实测表明：桥梁顺桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振，横桥向为随机微振动；顺桥向最大加速度约为0.08 m/s 2，梁端最大位移约为1.56 mm 。
基于一阶纵向振动模态参数，将双圆柱墩梁桥简化为单自由振动体系，在2 m/s~10 m/s 流速范围内(折减流速U r =1.69~8.45、雷诺数Re =2.6×106~1.3×107)进行了二维流固耦合数值模拟，得到了桥墩双圆柱升阻力系数以及不同结构阻尼比时的涡振响应。
并对桥墩振型与水流流速剖面等三维效应进行修正，得到了墩顶位移随流速变化的关系。
结果表明：上游柱尾流对下游柱的脉动涡激升力有显著增强作用，在3 m/s~6 m/s 流速范围内双圆柱桥墩出现了涡激振动。
在考虑三维修正后，ζ=0.01工况下墩顶位移数值模拟结果与实测值较为吻合。
随着阻尼比ζ的增加，涡振最大振幅变小，锁定区间基本不变。
关键词：桥梁工程；双圆柱桥墩；涡激振动；流固耦合；三维效应中图分类号：U441+.3 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.03.0143NUMERICAL SIMULATION AND FIELD MEASUREMENT OF DYNAMIC RESPONSES OF BRIDGES WITH TWIN CIRCULAR-CYLINDER PIERSSUBJECTED TO WATER FLOWHUA Xu-gang , DENG Wu-peng , CHEN Zheng-qing , TANG Yu(Key Laboratory for Wind and Bridge Engineering of Hunan Province, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, China)Abstract: The Dalin Bridge in Tibet is a 7-span concrete beam bridge with a continuous bridge deck, supported with several twin-circular cylinder piers. In July 2018, pier and deck of Dalin Bridge suffer from significant vibration along the bridge direction under the action of water flow. This paper described the field measurements and numerical simulations of dynamic response of the bridge system subject to water flow. The field measurement showed that: the longitudinal vibration of bridge deck is a beat vibration dominated by its fundamental modewhile the lateral vibration is random vibration; the longitudinal maximum acceleration is about 0.08 m/s 2,maximum displacement is about 1.56 mm. Based on the first-order longitudinal fundamental mode, the bridge is simplified as a SDOF system, two-dimensional numerical simulation of twin-circular cylinders is carried out forflow velocity 2 m/s~10 m/s (reduced flow velocity U r =1.69~8.45, Reynolds number Re =2.6×106~1.3×107), and the lift and drag forces, and the dynamic responses of piers under different damping are obtained. After incorporating a correction accounting for the pier vibration mode and velocity profile of water flow, the vortex-induced vibration amplitude at pier top is derived. The results indicate that the interference effect of upstream cylinder will increase the lift force of downstream cylinder. Vortex-induced vibration (VIV) is observed from收稿日期：2020-03-07；修改日期：2020-06-15基金项目：国家重点研发计划国际合作重点专项资助项目(2016YFE0127900)通讯作者：华旭刚(1978−)，男，浙江人，博士，博导，主要从事风工程及桥梁流致振动研究(E-mail: ***************.cn ).作者简介：邓武鹏(1996−)，男，湖南人，硕士生，主要从事桥梁流致振动研究(E-mail: ******************.cn );陈政清(1947−)，男，湖南人，博士，博导，主要从事工程力学研究(E-mail: **************.cn );唐 煜(1987−)，男，湖南人，博士，主要从事风工程研究(E-mail: ****************).第 38 卷第 1 期Vol.38 No.1工 程 力 学2021年1 月Jan.2021ENGINEERING MECHANICS40flow velocity 3 m/s~6 m/s. The three-dimensional effect has a significant impact on the displacement of pier top in two-dimensional numerical simulation and the numerical simulation result matches well with the measurement when damping ratio ζ=0.01. The maximum VIV amplitude will decrease with the increase of structural damping, but the velocity regime of VIV remains unchanged.Key words: bridge engineering; twin-cylinders bridge pier; vortex-induced vibrations; fluid-structure interaction;three-dimensional effect西藏达林大桥是一座横跨雅鲁藏布江，跨径布置为35 m+5×30 m+35 m的钢筋混凝土桥梁，下部结构采用双圆柱桥墩。
整理后：波浪荷载的计算理论波浪是发生在海洋表面的一种波动现象，其波动性质因受浅水区域海底地形影响和水深的变浅，发生波浪破碎现象，成为影响海岸侵蚀和变形以及海岸带污染物迁移与扩散的最主要的水动力环境之一。
破浪破碎与冲击现象对海上工程设施的安全也十分重要。
由于波浪破碎及冲击作用的机理极其复杂，至今仍然是海岸工程领域没有解决的困难课题之一。
因此，开展近海波浪破碎与冲击过程数值模型的研究，就有着重要的理论意义和工程意义。
波浪荷载,也称波浪力，是波浪对港口码头和海洋平台等结构所产生的作用。
目前按绕射理论进行分析。
波浪对结构物的作用由四部分组成：水流粘性所引起的摩阻力（与水质点速度平方成正比）；不恒定水流的惯性或结构物在水流中作变速运动所产生的附加质量力（与波浪中水质点加速度成正比）；结构物的存在对入射波浪流动场的辐射作用所产生的压力和结构物运动对入射波浪流动场的辐射作用所引起的压力。
包括上述全部作用影响的波浪力理论称为绕射理论。
在目前实际工作中，常用只考虑了结构受到波浪摩阻力和质量力影响的半经验半理论的莫里森（Mrison）方程分析波浪力。
波浪荷载是由波浪水质点与结构间的相对运动所引起的。
波浪是一随机性运动，很难在数学上精确描述。
当结构构件（部件）的直径小于波长的20％时，波浪荷载的计算通常用半经验半理论的美国莫里森方程；大于波长的20％时，应考虑结构对入射波场的影响,考虑入射波的绕射,计算时用绕射理论求解。
影响波浪荷载大小的因素很多，如波高、波浪周期、水深、结构尺寸和形状、群桩的相互干扰和遮蔽作用以及海生物附着等。
波浪荷载常用特征波法和谱分析法确定。
对一些特殊形状或特别重要的海洋工程结构，除了用上述的方法进行计算分析外，还应进行物理模型试验，以确定波浪力。
①特征波法。
选用某一特征波作为单一的规则波，并以它的参数（有效波高、波浪周期、水深）和结构的有关尺寸代入莫里森方程或绕射理论的公式，求出作用在结构上的波浪力。
3.16波浪波浪模拟实验海洋、湖泊、水库等宽广的水面下可能发生较大的波浪，波浪将影响船舶进航和停泊的安全；对堤防闸坝以及其他岸边建筑物具有强大的冲击作用；也会引起近岸浅水地带水底泥沙运动；淘刷岸坡和护岸建筑的基础，使航道和港口受淤、岸坡崩溃。
因此波浪成为水力学的重要课题之一。
一、实验目的：1、掌握波浪水槽和造波机的基本结构和原理2、掌握描述波浪基本要素的定义和测量3、了解波浪水槽模型实验的基本方法二、实验装置：1、水槽：1、电脑2、液压系统和造波板3、浪高仪4、消波器2、造波机：造波机安装在波浪水槽一端，造波机后侧直立式消能网，水槽的另一端设有消能坡消除波浪反射影响。
整个造波系统由造波板、液压伺服作动器、液压泵站、伺服放大器、AD/DA接口及计算机与外设等部分组成。
实验中要模拟一个波谱时，首先根据目标谱利用傅利叶变换将其展开成一个电压时间序列值控制信号，经D/A接口转换成不规则的电压信号，送给伺服控制放大器，驱动造波机推板作相应的推挽运动，推动水体而产生波列，位移传感器实时测出推板的运动轨迹，实时反馈到控制放大器，修正机械惯性带来的误差，以确保推波板能准确地跟踪计算机给定的信号运行。
造波的同时，浪高仪将波浪物理量转换成电量信号送A/D转换器进行数据采集，并暂存于内存中，供谱分析。
一般情况下，每次谱模拟不得少于120个波。
由于传递函数拟合时产生的误差及机械系统的影响，很难一次模拟成功，必须按以下公式修正。
[])(ϖα−=ωϖ+S*ϖ(DS(S))(S)式中：---------------修正后的控制谱S*ϖ()-----------------实测模拟谱)(S ϖ α -------------------修正系数)(DS ϖ --------------目标谱按重新计算出电压时间序列值，再一次控制造波机造波，分析比较，直至得到理想的模拟谱为止。
一般情况下经过二到五次修正就可基本成功。
)(S *ϖ三、实验原理：1、波浪要素的定义：波浪现象的特征是水的自由界面出现有规律的起伏形态，水的质点则作有规律的振荡运动，同时波形以一定速度向前传播。
