波浪荷载

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。

波浪荷载特征波法

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。此法简便易行，在海洋工程设计广泛应用。

波浪荷载谱分析法

利用海浪谱进行波浪荷载计算、结构疲劳和动力响应分析的一种方法。把波浪作为随机性的、由许多不同波高和波周期的规则波线性迭加而成的不规则波，用概率论和数理统计的方法收集、分析处理波浪观测数据，由于它能较精确地反映波浪的能量分布规律，所以是一种比较理想的方法。海洋工程结构设计中常用的有P-M和联合(JONSWAP)谱。

谱分析法中,波力谱(输出谱)Sff(ω)和海浪谱Sηη(ω)（输入谱）呈下述关系

Sff(ω)=喣Tff(ω)喣2Sηη(ω)

式中Tff(ω)为频率响应函数;ω为波浪频率。波力谱确定后，可求出波浪力分布函数中的统计特征值，进而得到某一累积概率的波浪力。2100433B

海洋工程结构在海洋风浪流环境下地受载，总称为波浪载荷。

波浪载荷包括：

直接作用于海洋工程结构上的水动压力；

海洋工程结构在风浪流中运动产生加速度导致的惯性力；

海洋工程结构发生总体和局部的动态应力（应变），从而使结构受剖内部构成所谓在和效应的弯矩（剪力）和扭矩。

波浪荷载动态载荷

由于海洋环境的风浪是动态的，是随时随地变化着的，海洋工程结构的受载也是随着风浪流的变动而变化的。

海洋工程结构遭遇风浪的不同严重程度，可以产生稳态波浪载荷和瞬态波浪载荷两类。

波浪荷载海洋工程结构总体受载与局部受载的组合

海洋工程结构有局部组成总体，海洋工程结构在海浪中既遭受局部的波浪水动力载荷，又同时受着总体的载荷效应——弯矩和扭矩等。这句不和总体受载是同时存在的，且是动态叠加的。

本项目针对跨海近海岸桥梁在极端波浪荷载作用下灾变毁坏问题，采用数值仿真和宽水槽模型试验相结合的方法，开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理研究。研究中首先引入两相流的概念，建立了基于大涡模拟（LES）和流体体积法（VOF）的三维波浪与结构物相互作用的数学模型,重点将建立高精度自由水面追踪方法与虚拟边界力方法用于准确模拟强非线性破碎波与复杂桥梁结构物的相互作用。通过三维波浪与梁体的相互作用的数值仿真获得梁体所受的瞬时波浪力，结合宽水槽模型试验结果确定最不利的波浪荷载组合，分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势及桥梁周围流场动力特性。通过模拟在极端波浪荷载作用下近海岸桥梁结构失效模式研究桥梁的破坏形式和在海岸灾害中毁坏机理。为近海岸桥梁的设计和施工提供必要的理论基础和技术支撑。

近海岸桥梁面临海岸带环境中复杂的动力作用，这些动力作用一般包括风、波浪、潮汐和洋流等。风暴潮与波浪的联合作用往往使得跨海桥梁周围水位升高，波浪越顶，潮流紊乱，产生冲刷等，这些自然条件给桥梁的安全性带来巨大的隐患。我国跨海桥梁的兴建方兴未艾，近海岸桥梁的设计与建造必须考虑到海岸带可能发生的最恶劣情况，否则将会造成严重的灾难性事故。因此开展近海岸桥梁在极端波浪荷载作用下毁坏形式和机理的研究已成为急需解决的关键课题。 该项目采用数值仿真和水槽模型试验相结合的方法，开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理的研究。研究中首先引入两相流的概念，建立了基于大涡模拟（LES）和流体体积法（VOF）的三维波浪与结构物相互作用的数学模型,重点将建立高精度自由水面追踪方法与虚拟边界力方法用于准确模拟强非线性破碎波与复杂桥梁结构物的相互作用。通过三维波浪与梁体的相互作用的数值仿真获得梁体所受的瞬时波浪力，结合水槽模型试验结果确定最不利的波浪荷载组合。分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势及梁体周围流场动力特性。在此基础上，通过模拟在极端波浪荷载作用下近海岸桥梁结构失效模式研究桥梁的破坏形式和在海岸灾害中毁坏机理。通过该项目的研究取得如下成果： （1）建立基于大涡模拟和VOF方法的三维波浪与结构物相互作用的数学模型。在结构物边界处理研究中,结合虚拟边界力方法,提出二步边界定位法,实现流体与复杂结构物边界的精确模拟，并进一步针对三维波浪与复杂构形桥梁结构的相互作用进行计算程序的开发和应用研究,分析在三维波浪作用下,桥梁梁体所受的波浪力特点和梁体周围流场分布特性，为近海岸桥梁的抗波浪力和稳定性设计提供重要的理论依据和技术支撑。 （2）进行一系列的水槽模型试验。模型试验将桥梁高程、淹没深度、波高、规则波和不规则波作为变量进行试验对比，确定最不利的波浪荷载组合，分析桥梁在波浪荷载作用下的受力特点、最大波浪力随淹没深度变化趋势，研究极端波浪荷载作用下近岸桥梁结构失效模式和毁坏机理。 （3）通过三维波浪与桥梁相互作用仿真研究获得瞬时的梁体所受波浪荷载，结合水槽模型试验，深入开展近海岸桥梁在极端波浪荷载下毁坏形式和机理的研究，为近海岸桥梁的设计和施工提供必要的理论基础和技术支撑。这对进一步提高近海岸桥梁设计精细化研究，增强结构安全性和可靠性具有重要意义。 2100433B

利用海浪谱进行波浪荷载计算结构疲劳和动力响应分析的一种方法。把波浪作为随机性的、由许多不同波高和波周期的规则波线性迭加而成的不规则波，用概率论和数理统计的方法收集、分析处理波浪观测数据，由于它能较精确地反映波浪的能量分布规律，所以是一种比较理想的方法。海洋工程结构设计中常用的有P-M和联合(JONSWAP)谱。

2100433B