一种圆环柱形防波结构及其数值计算方法

摘要

一种圆环柱形防波结构及其数值计算方法，属于防波结构技术领域，由圆环柱形结构、内部结构物组成，圆环柱形结构内的多孔石料填充层由内外侧钢筋格栅夹持固定，内侧钢筋格栅、外侧钢筋格栅任意水平截面为同心圆环，多孔石料填充层的空隙率和线性阻力系数均匀。内外侧钢筋格栅与海底固定连接，圆环柱形结构顶部高程大于海平面高程。根据比例边界有限元方法计算防波结构的受力，数值结果表明圆环柱形防波结构其能够有效地消耗周围传来的波浪能量，实现降低其保护范围内结构物所受波浪力的作用。本发明结构形式简单，便于施工安装；填充石料取材方便，成本低；石料填充层具有良好的阻尼缓冲作用，防波效果明显。

权利要求

1.一种圆环柱形防波结构的受力计算方法，其特征在于，所述的圆环柱形防波结构包括圆环柱形结构、内部结构物(4)，其中圆环柱形结构包括内侧钢筋格栅(1)、多孔石料填充层(2)、外侧钢筋格栅(3)；所述的多孔石料填充层(2)由圆环柱形结构的内侧钢筋格栅(1)、外侧钢筋格栅(3)夹持固定，内侧钢筋格栅(1)、外侧钢筋格栅(3)任意水平截面同心；所述多孔石料填充层的空隙率和线性阻力系数均匀；所述的内侧钢筋格栅(1)、外侧钢筋格栅(3)底部与海底(6)固定连接，圆环柱形结构顶部高程大于海平面(5)高程；

所述的计算方法，包括以下步骤：

设外侧钢筋格栅半径为b，内部结构物半径为a，内侧钢筋格栅半径为c，多孔石料填充层空隙率为ε，线性阻力系数为f；海水深度为H；防波结构和内部结构物底端与海底固定连接；计算过程中，还将用到以下参数：液体密度ρ，重力加速度g；

第一步，将整个流域划分为三个计算子域，即内侧钢筋格栅(1)和内部结构物(4)壁面所包围的区域ΩΙ，内侧钢筋格栅(1)和外侧钢筋格栅(3)所包围的区域ΩΙΙ，外侧钢筋格栅(3)以外的无限域ΩΙΙΙ；

第二步，对于无旋无粘的理想流体，每个子域中流体的速度势函数Φ(x,y,z,t)，可采用分离变量法分解为：上式中 ω为角频率，k为波数，i为虚数单位， 满足三维Laplace方程化简后得到二维Helmholtz方程：设 在边界上的法向导数为 表示法向波速，采用变分原理并引入比例边界有限元SBFEM坐标系，得SBFEM基本方程及内、外边界条件表达式：式中，ζ＝k0bξ，s，ξ分别为比例边界有限元坐标中的环向坐标和径向坐标，ξ0为相似中心处的径向坐标，ξ1为边界上的径向坐标，N为拉格朗日插值形函数，E0、E2、Fs为系数矩阵；

第三步，引入边界条件求解上述比例边界有限元控制方程，设 和 分别表示域ΩΙ，ΩΙΙ和ΩΙΙΙ中的速度势，且各个子域之间应满足耦合边界条件：在内部结构物壁面上，满足：

在内侧钢筋格栅界面处满足

其中，λ为惯性系数；

在外侧钢筋格栅界面处应满足：

另外， 还需要满足无穷远处的Sommerfeld边界条件：其中， 和 为速度势的法向导数，r为节点与比例中心之间的距离；

第四步， 求出后，即可求出总场速度势Φ,t，液体速度、波面高度和动态压力分别由以下表达式确定： p＝-ρΦ,t；结构域所受总力按下式计算： 其中括号内第一～三项分别为内

部结构物、内侧钢筋格栅填充内壁处、外侧钢筋格栅填充外壁结构单位长度上受到的横向力。

说明书

一种圆环柱形防波结构及其数值计算方法

技术领域

[0001] 本发明属于防波结构技术领域，涉及一种圆环柱形防波结构，具体的说就是一种能够借助圆环柱形防波结构耗散海水波浪能量，从而达到使其保护范围内结构物免受过大波浪力的防波结构。

背景技术

[0002] 我国拥有辽阔的海域，其中蕴含着丰富的资源，海洋矿产资源、海洋生物资源、海水化学资源等等，这部分资源的合理开发利用将会为人们生活品质的提高以及社会的发展进步提供强有力的促进作用，但是海洋开发须依赖于海上工程设施的建设，在人类大力开发和利用海洋的同时，也面临着各种海洋灾害的侵扰，比如风暴波浪力的冲击和波浪的越浪等可能导致海上建筑物的破坏，这将直接造成巨大的经济及财产损失，甚至威胁着沿岸人们生命财产安全。因此对如何减小海上建筑物所受波浪力的系统分析和研究是十分必要和迫切的。

[0003] 针对上述现状，传统的做法是修建深水码头或者防波堤，但是诸如此类的直立式结构己经不能满足实际工程需要，而开孔结构由于具有良好的减小波浪反射和自身所受波浪力的特性，越来越多地受到人们的重视。圆环柱形开孔结构作为开孔结构的一类，具有良好的波浪受力特性，也逐渐进入人们的视线，相关研究也随之增多；然而含填充材料夹层的开孔结构作为传统开孔结构的一种扩展，在国内外的研究却少见报道，本发明首次提出一种圆环柱形防波结构，这种防波结构采用多孔石料作为填充层，具有良好的阻尼特性，并且本发明首次采用比例边界有限元这一新兴数值方法模拟了这种防波结构的力学性能，数值结果表明其能够有效地消耗周围传来的波浪能量，实现降低其保护范围内结构物所受波浪力的作用。

发明内容

[0004] 针对现有技术暴露的问题，本发明提供一种圆环柱形防波结构，具体的说就是一种能够借助圆环柱形防波结构耗散海水波浪能量，从而达到使其保护范围内结构物免受过大波浪力的防波结构。

[0005] 借鉴海洋工程中的开孔板防波堤，首次提出一种圆环柱形防波结构。通过调整开孔格栅的孔隙系数能起到非常有效的消能减晃效果，降低工程造价，能产生良好的经济效益、容易设计和使用方便；同时数值计算结果表明双层开孔格栅比单层的减晃效果更佳。

[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

[0007] 一种圆环柱形防波结构，包括圆环柱形结构、内部结构物4，其中圆环柱形结构包括内侧钢筋格栅1、多孔石料填充层2、外侧钢筋格栅3。所述的多孔石料填充层2由内侧钢筋格栅1、外侧钢筋格栅3夹持固定，内侧钢筋格栅1、外侧钢筋格栅3任意水平截面为同心圆环，所述多孔石料填充层的空隙率和线性阻力系数是均匀的，内侧钢筋格栅1、外侧钢筋格栅3对所述防波结构的开孔系数的影响可以忽略，内侧钢筋格栅1、外侧钢筋格栅3与海底6之间固定连接，所述圆环柱形结构顶部高程大于海平面5高程。

[0008] 上述圆环柱形防波结构通过多孔石料填充层耗散海水波浪能量，从而达到避免其所包围范围内结构物承受过大波浪力的防波结构。上述系统所受波浪力的计算方法包括以下步骤：

[0009] 设外侧钢筋格栅半径为b，内部结构物半径为a，内侧钢筋格栅半径为c，多孔石料填充层空隙率为ε，线性阻力系数为f；海水深度为H。防波结构和内部结构物底端与海底固定连接。计算过程中，还将用到以下参数：液体密度ρ，重力加速度g。

[0010] 第一步，将整个流域划分为三个计算子域，即内侧钢筋格栅1和内部结构物4壁面所包围的区域ΩΙ，内侧钢筋格栅1和外侧钢筋格栅3所包围的区域ΩΙΙ，外侧钢筋格栅3以外的无限域ΩΙIΙ。

[0011] 第二步，对于无旋无粘的理想流体，每个子域中流体的速度势函数Φ(x,y,z,t)，可采用分离变量法分解为：

[0012]

[0013] 上式中 ω为角频率，k为波数，i为虚数单位， 满足三维Laplace方程化简后得到二维Helmholtz方程：

[0014]

[0015] 设 在边界上的法向导数为 表示法向波速，采用变分原理并引入比例边界有限元(SBFEM)坐标系，可得SBFEM基本方程及内、外边界条件表达式：

[0016]

[0017]

[0018]

[0019] 式中，ζ＝k0bξ，s，ξ分别为比例边界有限元坐标中的环向坐标和径向坐标，ξ0为相似中心处的径向坐标，ξ1为边界上的径向坐标，N为拉格朗日插值形函数，E0、E2、Fs为系数矩阵， 分别为 对ζ的二阶、一阶导数；

[0020] 第三步，引入边界条件求解上述比例边界有限元控制方程，设 和 分别表示域ΩΙ，ΩΙΙ和ΩΙIΙ中的速度势，且各个子域之间应满足耦合边界条件：在内部结构物壁面上，应满足

[0021]

[0022] 在内侧钢筋格栅界面处应满足

[0023]

[0024]

[0025] 其中，λ为惯性系数。

[0026] 在外侧钢筋格栅界面处应满足

[0027]

[0028]

[0029] 另外， 还需要满足无穷远处的Sommerfeld边界条件：

[0030]

[0031] 其中， 和 为速度势的法向导数，r为节点与比例中心之间的距离。

[0032] 第四步， 求出后，即可求出总场速度势Φ,t，液体速度、波面高度和动态压力分别由以下表达式确定：ν＝▽Φ， p＝-ρΦ,t；结构域所受总力按下式计算： 其中括号内第一～三项分别为
内部结构物、(内侧钢筋格栅)填充内壁处、(外侧钢筋格栅)填充外壁结构单位长度上受到的横向力。

[0033] 本发明与现有技术相比有以下优点：1)结构形式简单，便于施工安装；2)填充石料取材方便，成本低；3)石料填充层具有良好的阻尼缓冲作用，防波效果明显。

附图说明

[0034] 图1是圆环柱形防波结构示意图；

[0035] 图2是模型简化图。

[0036] 图3是结构不同部位处所受波浪力随多孔石料填充层不同空隙率ε的关系变化曲线图。

[0037] 图4是结构不同部位处所受波浪力随多孔石料填充层不同线性阻力系数f的关系变化曲线图。

[0038] 图5是结构不同部位处所受波浪力随内柱半径尺寸a的关系变化曲线图。

[0039] 图6、7是不同内柱半径a情况下，结构所在区域一定范围内的波幅示意图。

[0040] 图中：1内侧钢筋格栅；2多孔石料填充层；3外侧钢筋格栅；4内部结构物；5海平面；6海底。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图和模拟实例对本发明的应用原理作进一步描述。应当理解，此处所描述的模拟实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0042] 参照附图1-7，本发明公开了一种圆环柱形防波结构。一种圆环柱形防波结构，包括内侧钢筋格栅1、多孔石料填充层2、外侧钢筋格栅3、内部结构物4。所述的圆环柱形结构由内侧钢筋格栅1、多孔石料填充层2、外侧钢筋格栅3组成，多孔泡沫材料层1由内侧钢筋格栅1、外侧钢筋格栅3夹持固定，内侧钢筋格栅1、外侧钢筋格栅3任意水平界面为同心圆环，所述消能层的空隙率和线性阻力系数是均匀的，内侧钢筋格栅1、外侧钢筋格栅3与海底6之间固定连接，所述圆环柱形结构顶部高程大于海平面5高程。

[0043] 本发明中，相关计算遵从线性势流理论，所采用数值计算方法是比例边界有限单元法。

[0044] 将整个流域划分为三个计算子域，即内侧钢筋格栅1和内部结构物4壁面所包围的区域ΩΙ，内侧钢筋格栅1和外侧钢筋格栅3所包围的区域ΩΙΙ，外侧钢筋格栅3以外的无限域ΩΙIΙ。

[0045] 对于无旋无粘的理想流体，每个子域中流体的速度势函数Φ(x,y,z,t)，可采用分离变量法分解为：

[0046]

[0047] 上式中 ω为角频率，k为波数，i为虚数单位， 满足三维Laplace方程化简后得到二维Helmholtz方程：

[0048]

[0049] 设 在边界上的法向导数为 表示法向波速，采用变分原理并引入比例边界有限元(SBFEM)坐标系，可得SBFEM基本方程及内、外边界条件表达式：

[0050]

[0051]

[0052]

[0053] 引入边界条件求解上述比例边界有限元控制方程，即可求出 进而可求得总场速度势Φ，液体速度ν、波面高度η和动态压力p分别由以下表达式确定：ν＝▽Φ， p＝-ρΦ,t；结构域所受总力按下式计算：
其中括号内第一～三项分别为内部结
构物、(内侧钢筋格栅)填充内壁处、(外侧钢筋格栅)填充外壁结构单位长度上受到的力。

[0054] 为说明系统的水动力特性，将给出相关算例进行相关表述；将内部结构物简化为一个与圆环柱形结构同轴的柱形结构，简称内柱。在所涉及到的算例中，b＝10m，H＝15m。图中，k代表波数，|Fx|为波浪力绝对值。

[0055] 空隙率ε和线性阻力系数f与多孔石料填充层密实度相关，填充越密实空隙率ε越小，线性阻力系数f越大，反之空隙率ε越大，线性阻力系数f越小。

[0056] 参照附图3可以看出当空隙率ε为0时，波浪能量完全被圆环柱形防波结构消耗，波浪力被填充外壁完全吸收，填充内壁内柱不承受波浪力，随着空隙率的增大整个结构系统所受波浪总力逐渐增大，被外部圆环柱形防波结构吸收的波浪能量所占比例也逐渐减小，内柱和填充内壁承受波浪力逐渐增大，且填充内壁处波浪力增幅大于内柱，因此，多孔石料填充层的设计要兼顾圆环柱形防波结构各部位以及内部结构物的受力特性，使其合理分配波浪总力，选择适当的孔隙率进行填充。

[0057] 参照附图4可以看出当线性阻力系数f为0时，此时相当于没有防波结构，波浪力全部由内部结构承受，随着线性阻力系数的增大，防波结构逐渐吸收外部波浪能量，内柱承受波浪力逐渐减小，但由于填充内壁和填充外壁所分担的波浪力总和增幅略大于内柱波浪力降幅，所以整个结构系统所受波浪总力呈现缓慢增大的趋势。这从另一个角度说明了多孔石料填充层的设计要兼顾圆环柱形防波结构各部位以及内部结构物的受力特性，使其合理分配波浪总力，选择适当的线性阻力系数进行填充。

[0058] 参照附图5可以看出系统各部位受波浪力的大小与内柱半径a相关，随着半径的增大，系统各部位所受波浪力都呈现增大的趋势，防波结构分担的波浪力所占总力的比例逐渐减小，内柱波浪力增幅逐渐增大，并且最终大于系统所受总力，由此可见，圆环柱形防波结构的设计还应考虑内部结构物的尺寸，以获得更好的防波效果。

[0059] 参照附图6、7可以直观地看出无论内部结构物尺寸大或小，防波结构所在环形区域波幅急剧变化，而靠近内部结构物附近区域波幅趋于平缓，这说明本发明所述圆环柱形防波结构能较好地消耗周围波浪能量，有效的起到保护内部结构物的作用。