波浪-流聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析是海工結(jié)構(gòu)研究的重要課題。海工結(jié)構(gòu)在波流作用下的倒塌往往與海床地基失效有關(guān),因此,在波浪-流外荷載作用下考慮飽和海床-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用十分必要。本文主要實(shí)現(xiàn)了一種波浪-流聯(lián)合作用下飽和海床-結(jié)構(gòu)相互作用的分析方法。具體工作如下:(1)基于有限體積方法采用Fluent流體計(jì)算軟件對(duì)二維波浪-流傳播進(jìn)行了模擬分析。構(gòu)造二維數(shù)值水槽模型,入口處采用UDF自編函數(shù)進(jìn)行速度造波,氣液相邊界采用VOF方法進(jìn)行追蹤,在出口區(qū)設(shè)置源項(xiàng)函數(shù)進(jìn)行消波。對(duì)微幅波和有限振幅波進(jìn)行模擬計(jì)算,提取波浪、波浪+順流和波浪+逆流三種工況下入口處和出口區(qū)的液面高度與解析解對(duì)比,驗(yàn)證了二維波浪-流的造波可行性和準(zhǔn)確性。(2)在二維波流數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步討論了三維波流數(shù)值模擬技術(shù),為海工結(jié)構(gòu)分析提供波流荷載。基于平板物理水槽實(shí)驗(yàn),對(duì)其進(jìn)行三維數(shù)值水槽建模分析,計(jì)算流體對(duì)平板底部的浮托力,并與水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,初步驗(yàn)證了三維水槽造波的可行性。進(jìn)一步采用某跨海橋梁模型主墩區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行波浪-流荷載模擬分析,計(jì)算了不同潮差條件(即地表有、無沖刷)下不同水位高度(即常遇水位和百年一遇水位)時(shí)橋墩結(jié)構(gòu)的浮托力和樁水平力等,與物理水槽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了三維波流數(shù)值模擬的有效性。(3)采用Biot多孔介質(zhì)模型,通過集中質(zhì)量顯式有限元結(jié)合多次透射人工邊界分析了三維波浪-流荷載作用下飽和海床的動(dòng)力響應(yīng)。分別考慮飽和土為線性和非線性兩種情形,利用“擴(kuò)展Masing”法則修正下的Davidenkov骨架曲線模型來描述飽和土骨架非線性,分析了不同波浪-流工況下飽和海床的響應(yīng)。(4)通過自編FORTRAN程序?qū)崿F(xiàn)波浪-流聯(lián)合作用下三維飽和海床-結(jié)構(gòu)相互作用的整體分析,并對(duì)某實(shí)際跨海橋梁進(jìn)行了分析。采用集中質(zhì)量顯式有限元方法結(jié)合多次透射邊界進(jìn)行飽和海床模擬,采用隱式時(shí)步積分方法進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)分析,兩者可采用不同時(shí)間步距,通過基礎(chǔ)對(duì)土體和結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合。對(duì)某實(shí)際跨海橋梁的橋墩模型進(jìn)行了分析,表明了該方法的實(shí)用性。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P75
【部分圖文】：

典型代表的海洋資源逐漸走入人們視野，其開發(fā)歷史較短且程度低，特別是國際公海資源儲(chǔ)量動(dòng)用少和國際共有性，引導(dǎo)人們對(duì)海洋資源的研究和開發(fā)利用，然而海洋環(huán)境復(fù)雜多變，資源探索和開發(fā)面臨著巨大挑戰(zhàn)。被稱作為“海洋世紀(jì)”的 21 世紀(jì)，獲得海洋資源的控制權(quán)就能獲得最大的經(jīng)濟(jì)利益。為加大對(duì)海洋資源的探索以滿足生產(chǎn)生活需求，從海上、海洋水域中以及海底多維度立體的從近海向深海區(qū)域推進(jìn)，結(jié)構(gòu)建設(shè)和區(qū)域規(guī)劃包括交通、生產(chǎn)、娛樂、居住等，同時(shí)在能源集中區(qū)域大規(guī)模開發(fā)石油、天然氣，建設(shè)利用潮汐洋流能的發(fā)電站和海洋風(fēng)能的風(fēng)力機(jī)群等[2]，利用巨大的海洋空間資源進(jìn)行一系列結(jié)構(gòu)建設(shè)（圖 1. 1）。a) 海上機(jī)場(chǎng)建設(shè) b) 海上鉆井平臺(tái)

跨海橋梁主要作為近海區(qū)域直接的連接通道，據(jù)已有數(shù)據(jù)可知，其跨度均在 5km 以上，現(xiàn)階段已達(dá) 50km；（2）橋梁水域環(huán)境復(fù)雜�？绾蛄阂话阄挥诮髋c海流的匯合處，該地區(qū)氣候環(huán)境復(fù)雜，氣流紊亂、波流復(fù)雜、海床沖刷嚴(yán)重、易發(fā)生潮汐等，其中江流喇叭口出水域易形成涌潮；（3）施工建設(shè)周期較長(zhǎng)、技術(shù)要求較高、施工難度大。跨海橋梁建設(shè)水域環(huán)境復(fù)雜跨度大，直接決定了其建設(shè)周期、施工難度和技術(shù)要求等；（4）投資總量較大�？绾蛄涸靸r(jià)不菲，且?guī)?dòng)一方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，是一個(gè)地區(qū)的發(fā)展的大動(dòng)脈，具有較高的戰(zhàn)略意義。然而海洋環(huán)境復(fù)雜且難預(yù)測(cè)，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及建設(shè)施工均是不小的挑戰(zhàn)，近年來大量的海洋資源的開發(fā)正在成為新資源獲取的重要途徑，也同國家發(fā)展的大趨勢(shì)同步前進(jìn)，同時(shí)跨海橋梁的建設(shè)水平從正面反映了一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和基礎(chǔ)建設(shè)技術(shù)的水平。a) 杭州灣跨海大橋 b) 港珠澳跨海大橋

有遼闊的海洋面積以及在東南地區(qū)綿長(zhǎng)的海岸線，該地區(qū)擁有豐富的海底礦物資源、海洋生物（水產(chǎn)）資源、洋流能（動(dòng)力資源）和海洋空間資源等。我國海域內(nèi)目前海域原油探明率不到20%，天然氣探明率不足 10%，且 70%的油氣儲(chǔ)存量位于深海區(qū)域，海洋資源開發(fā)逐漸向深海未知水域發(fā)展，而對(duì)于當(dāng)今能源，糧食、資源供應(yīng)緊張與人口爆炸式增長(zhǎng)的矛盾日益激化的境況下，海洋資源開發(fā)是不二之選和歷史發(fā)展的必然。海洋蘊(yùn)藏著巨大的自然資源給與人們便利的同時(shí)也具有難以估量的破壞力。我國陸地沿線大多屬于太平洋季風(fēng)區(qū)，位于該海洋及近海區(qū)域的海工結(jié)構(gòu)等極易受到周圍復(fù)雜環(huán)境影響，根據(jù)國家海洋局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（圖 1. 3）顯示，從 2003-2017 年每年平均經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到 127 億元，死亡及失蹤人口年平均達(dá)到 141 人，數(shù)據(jù)顯示雖然在逐年遞減，但仍不樂觀。2018 年夏季在西太平洋和南海共有多達(dá) 20 個(gè)臺(tái)風(fēng)生成，其中有 8 個(gè)從我國沿海登陸，相比以往臺(tái)風(fēng)生成數(shù)和登陸數(shù)明顯偏多且登陸地點(diǎn)偏北，滬浙地區(qū)異常偏多，位于長(zhǎng)三角的華東經(jīng)濟(jì)中心—上海擁有著占全國 1.8 萬公里 0.9%（約為 172 公里）的海岸線，在 30 天內(nèi)迎來三個(gè)臺(tái)風(fēng)的正面“精確”登陸，其中第 18 號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞（Rumbia）”更是創(chuàng)造上海地區(qū)臺(tái)風(fēng)的歷史，臺(tái)風(fēng)生成的巨大海浪對(duì)橋梁、防波堤以及其他沿海結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生巨大的側(cè)向外力作用，同時(shí)對(duì)交通和基礎(chǔ)建設(shè)造成巨大影響進(jìn)而影響地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生命財(cái)產(chǎn)安全。

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本文編號(hào)：2808069