桩柱间距和形状对波浪荷载影响的研究

摘要

在港口工程和近海工程中，桩柱尤其是群桩结构应用广泛，桩柱间距的大小和形状直接关系到入射波对桩柱的作用力及对平台或上部结构的上托力，当桩柱间距较小时，相互间水动力影响较强，作用在桩柱上的波浪荷载与孤立桩柱相比将显著增大，是结构失稳破坏的重要因素。因而有必要对于桩柱间距和形状对于桩柱波浪荷载的影响进行研究。
　　目前，国内外学者对于桩柱波浪荷载的研究主要采用模型试验的方法，而模型试验往往耗时长、花费高且不能对桩柱受力机理进行分析。随着计算机技术和计算流体力学的发展，采用数值模拟研究波浪对于群桩的作用不失为经济可靠的方法。
　　首先，基于FLOW-3D软件，以Navier-Stokes方程作为波浪运动的控制方程，采用重整化群k-ε模型，利用差分法进行离散，并用GMRES法求解离散后的方程。之后，通过实验模型和理论公式验证所建立数值模型的精确性。
　　其次，利用所建立的三维数值模型，分别研究不同波浪参数下，两串联圆形桩柱和方形桩柱的间距大小对作用在上游桩柱和下游桩柱上波浪荷载影响（其中，方形桩柱分为波浪入射角为0°角工况和45°角工况），给出了桩柱的的波浪荷载历时曲线、群桩系数、纵向波浪荷载和横向波浪荷载的比值以及总合力系数随桩柱间距的变化规律，并从桩柱周围自由液面和流场分析了桩柱的受力机理。
　　最后，对圆形桩柱和方形桩柱上的波浪荷载、群桩系数、纵向波浪荷载和横向波浪荷载的比值以及总合力系数随桩柱间距的变化规律进行了归纳总结，研究了桩柱形状对作用在桩柱上波浪荷载的影响。