摘要
群桩是一种主要的海上建筑物基础结构形式。群桩中桩之间的相互影响会使得不同桩上的波浪力产生差异，人们通常以群桩系数来描述这种差异。相关规范中给出了基于单向波作用下三桩并列和串列群桩的群桩系数。而事实上，群桩结构往往是由多桩组成的，同时海浪是多向的不规则波浪，波浪的方向分布对于波浪与海洋工程建筑物的作用具有重要的影响，因此，探究多向不规则波作用下多桩群桩结构的波浪力特性，不仅具有重要的理论价值，而且可以满足目前相关工程结构设计的需要。 本文针对多向不规则波对多桩组成的单排并列、单排串列、双排并列和方形布置四种群桩结构的作用进行了物理模型试研究，系统地分析了群桩波浪力特性和群桩效应。结果发现，当群桩中桩柱个数较多时，相对桩径D/L1/3对于群桩受力具有较大影响。综合考虑KC1/3数和相对桩径D/L1/3的影响，提出了一个新的参数KCLD1/3=KC1/3×L1/3/D。结果表明，利用KCLD1/3数来描述群桩系数的变化要优于KC1/3数，可以作为描述多桩组成的群桩结构群桩效应变化的参数。 针对不同群桩所受的波浪力，首先对其统计特征和概率分布特征进行了分析。结果表明，当KCLD1/3数为0～1200时，随着KCLD1/3数的增大，单排并列群桩的正向力群桩系数增大，横向力群桩系数先增大后减小;单排串列布置群桩结构中最后一根桩的正向力的群桩系数最大;双排并列和方形布置群桩波浪力特性中包含了并列和串列群桩的特性，多排群桩的群桩系数要小于单独并列布置时的群桩系数;KCLD1/3数较大时，在方向分布宽度σθ=12.73°～24.98°的范围内，多向波作用下的桩柱正向力会大于单向波作用时对应桩柱的正向力。对于横向力而言，随着方向分布范围变宽，桩柱横向力逐渐增大，并给出了不同群桩结构中桩柱波浪力在考虑波浪方向分布影响时的系数。统计结果进一步表明，威布尔分布形式可以较好地描述群桩波浪力的概率分布，随着KCLD1/3数的增大，较大正向力和横向力发生的概率增大。而方向分布对横向力概率分布的影响要大于对正向力概率分布的影响。 其次，对于群桩波浪力的频域特性进行了分析研究。结果表明，群桩中桩柱和孤立单桩的正向力谱型均为单峰谱，谱峰频率与波浪谱峰频率一致;随着方向分布的变宽，横向力谱高频部分“能量”减小，峰频处“能量”增多;串列布置时，正向力谱的高频成分要大于并列布置时的结果，尾桩的正向力高频成分要多于其它桩。 最后，利用Fluent求解Navier-Stokes方程，采用动边界模拟推板造波运动，建立了基于二阶造波理论的数值水槽，并扩展建立了可以模拟多向不规则波的数值水池。在此基础上，进一步建立波浪与群桩结构作用的数值模型，进行了规则波与并列、串列和方形布置群桩作用以及多向不规则波与并列群桩作用的数值模拟研究。对群桩波浪力分布特征及其产生机理进行分析。分析结果表明，当并列布置群桩正向力达到峰值时，边桩后部的内侧和外侧速度分布不对称，出现等压线偏折现象，而且越靠近内侧的桩，这种压力偏折现象越弱，揭示了造成边桩正向力小的原因;单向波与串列群桩作用时，最后的尾桩后侧压力没有增大的现象。由于后面没有其它桩，尾桩附近流速可以进一步增大，使得桩柱附近静压降低，进一步的增大了正向力方向上的压差，揭示了串列群桩最后桩柱正向力最大的机理;多向波与并列群桩作用时，由于波浪方向分布的影响，形成了与单向波作用时不同的流场结构，流体通过两桩之间的间隙时的加速效应较弱，桩两侧的速度差相对较小，不同方向波浪产生的波浪力在横向力方向上的分量是构成横向力的主要组成成分，解释了多向不规则波横向力频率降低的原因。
NETL