连岸浮式栈桥水动力性能与运动响应研究

摘要

连岸浮式栈桥系统是一种布置于近海区域，由多个桥节拼接而成，用于岛岸之间运输物资、设备、车辆的桥式结构物。由于浮式栈桥系统由多个浮体组成，多浮体之间会产生水动力干扰，同时相邻桥节之间的连接缆绳及系泊系统等构成了一个强非线性系统，因此浮式栈桥在海洋环境中具有十分复杂的运动响应特性。准确预报浮式栈桥系统运动响应对浮式栈桥的施工，运营安全等具有十分重要的意义。
　　本文以南海某岛礁处的轻载浮式栈桥与重载浮式栈桥设计为背景，应用基于三维势流理论的SESAM软件开展了浮式栈桥的水动力分析与运动响应预报。论文的具体工作与主要研究成果如下：
　　（1）较为全面地回顾和总结了国内外有关多浮体水动力分析与运动响应的研究进展，概述了系泊系统的研究方法，提出本文的研究内容与创新点。
　　（2）系统介绍了多浮体水动力性能的基本原理，并对SESAM软件中多浮体水动力分析程序HydroD/Wadam模块的准确性加以验证。其结果表明，应用HydroD/Wadam模块的计算结果与相关文献的理论计算和试验结果较好地吻合，为下面的计算工作提供依据。
　　（3）应用SESAM软件的HydroD/Wadam模块开展了轻载浮式栈桥单桥节与多桥节的频域计算工作，得到不同波浪入射角时单桥节的水动力系数。同时，进一步考虑了桥节间的相互干扰作用、桥节的间距以及水深等因素对多桥节水动力参数的影响。结果表明：在纵荡方向，单桥节的附加质量与辐射阻尼均大于多桥节中各桥节的附加质量与辐射阻尼。随着桥节间距的增大，桥节a5（最靠近水侧桥节）的附加质量与辐射阻尼呈现振荡式递增趋势，二阶波浪力传递函数呈振荡式减少，建议选取桥节间距为1.5m。当水深小于10m时，桥节a5的RAO与一阶波浪力在纵荡方向随着水深的增大而减少，垂荡方向随着水深的增大而增大。当水深大于10m时，水深对桥节 a5的水动力系数影响很小。
　　（4）应用SESAM软件的SIMO模块对不规则波中的轻载浮式栈桥单桥节进行时域计算，同时通过粘性流体力学计算软件FINE/Marine对单桥节的静水衰减试验进行模拟，计算得到阻尼比，分析粘性作用对单桥节运动响应与系泊缆绳张力的影响。进一步应用SIMO模块对不规则波下的轻载浮式栈桥多桥节进行时域计算，分析有无缆绳连接、波浪入射角等因素对浮式栈桥的运动响应、系泊缆绳张力与连接缆绳张力的影响。结果表明：对单一桥节垂荡、横摇和纵摇方向添加阻尼比后，单桥节六自由度运动响应均有所减少。有缆绳连接时，相邻桥节的相对纵荡、相对垂荡位移较无缆绳连接时均有减小，在有义波高为1.25m，谱峰周期为6s时，有缆绳连接的桥节间最大相对纵荡运动范围是无缆绳连接时的0.55倍。同时系泊缆绳张力均大于无缆绳连接时系泊缆绳张力。浪向角从90°增加到180°，桥节的横荡与垂荡运动响应随之减少。当浪向为105°时，相邻桥节间的相对纵荡位移达到最大。综上所述，相邻桥节间有缆绳连接可以大幅度减少相对运动位移，并且在布置浮式栈桥时，建议选取浪向角为150°~180°。
　　（5）应用 SESAM软件的SIMO模块开展了重载浮式栈桥多桥节的时域计算工作，分析了有义波高和浪-流夹角等因素对多桥节的运动响应、系泊缆绳张力与连接缆绳张力的影响。结果表明：随着有义波高的增加，相邻桥节的相对纵荡、相对垂荡位移随之增加，系泊缆绳与连接缆绳受到的张力也逐渐增加。当浪-流夹角从0°增大到90°，除纵摇外，桥节的其余五自由度运动位移随之增大；相邻桥节的相对横荡位移逐渐增大，相对垂荡位移有所减少；系泊缆绳与连接缆绳受到的张力逐渐增加。

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目录

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容及创新点

1.4 本章小结

第2章 数值模拟基本理论

2.1 三维势流理论

2.2 一阶波浪力

2.3 二阶波浪力

2.4 时域运动方程

2.5 程序验证

2.6 本章小结

第3章 轻载浮式栈桥水动力性能计算与分析

3.1 引言

3.2 单一桥节水动力参数计算结果分析

3.3 桥节间相互作用对轻载浮式栈桥的水动力参数的影响

3.4 桥节间距对轻载浮式栈桥的水动力系数影响

3.5 水深对轻载浮式栈桥的水动力系数影响

3.6 本章小结

第4章 轻载浮式栈桥系统运动响应分析

4.1 引言

4.2 系泊系统设计

4.3 环境参数与参考点的选取

4.4 粘性阻尼系数对轻载浮式栈桥单桥节运动响应的影响

4.5 连接缆绳对轻载浮式栈桥运动响应的影响

4.6 波浪入射角对轻载浮式栈桥运动响应的影响

4.7 本章小结

第5章 重载浮式栈桥系统运动响应分析

5.1 引言

5.2 重载平台模型建立

5.3 系泊系统设计

5.4 环境参数与参考点选取

5.5 不同工况下重载浮式栈桥运动响应分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及学术成果

致谢