推波板造波时 水槽中圆柱压力弯曲截面系数公式计算时无穷远处的压强是什么?

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跨海桥梁作为我国沿海交通网络中的关键性结点与重要组成部分[1],促进了我国海上交通基础建设的进一步发展,具有重要的战略意义。由群桩和承台组成的高桩承台结构,因具备地质适应性好、造价低、施工便捷、风险小等特点,广泛应用于我国跨海桥梁工程[2]。如我国的东海大桥[3]、杭州湾跨海大桥[4]、港珠澳大桥[5]、平潭海峡公铁两用大桥[6]的下部基础形式都采用高桩承台结构。不同于陆地桥梁,海洋桥梁处于复杂多变的海洋环境,通常水深、浪大,波浪作用成为跨海桥梁受力和设计的关键荷载之一[7]。极端波浪荷载给跨海桥梁带来了严峻的挑战,许多跨海桥梁曾在海洋自然灾害下受到严重损坏,给修复重建工作带来了巨大代价。2004年飓风Ivan、2005年飓风 和2008年飓风Ike形成的极端波浪和风暴潮先后造成美国多座跨海桥梁被毁[8-10]。2013年,寒潮引发的极端波浪和高潮位造成青岛栈桥发生坍塌。历次事故表明,极端波浪是造成跨海桥梁破坏的主要因素之一,跨海桥梁高桩承台在水面处设有巨大的承台,当极端波浪的波峰作用于承台上时,会产生极大的瞬时波浪冲击荷载。因此,确保跨海桥梁高桩承台在极端波浪下的结构安全,成为我国跨海桥梁发展面临的重要挑战。

对于承台这类大尺度结构物的波浪荷载计算问题,国内外学者开展了大量的研究工作。最早由MacCamy和Fuchs基于势流理论提出了线性绕射理论计算大尺度垂直圆柱的波浪力[11]。Bhatta和Rahman[12]基于绕射理论推导了针对圆形承台波浪力计算的解析表达式。李忠献等[13]提出了考虑绕射效应的圆截面承台波浪作用解析计算方法。刘桦等[14]基于势流理论和莫里森方程提出了计算桩基承台结构波浪力的实用计算方法。杜修力等[15]提出了考虑水体可压缩性的大直径深水圆柱结构动水压力时域和频域的计算方法。势流理论虽然计算效率高,但基本假设中忽略了流体黏性,无法模拟波浪在结构物附件的剧烈变形、湍流、旋涡、破碎等现象,对于此类问题,一些学者提出了基于不可压缩黏性流体理论的CFD计算方法。康啊真等[16]利用浸没边界法处理不规则结构物表面,对大型圆柱波浪力进行数值模拟。谭长建[17]采用大涡模拟方法考虑湍流的影响,通过建立三维波浪与桥墩相互作用数值模型,对桥墩在波浪作用下的受力进行了详细研究。向宝山等[18]通过建立三维数值波浪水槽,研究了承台淹没深度及波浪入射角度对海洋环境中复合桩基水平向波浪荷载的影响。而现有的研究大多针对大型圆形结构,关于跨海桥梁高桩承台极端波浪冲击作用的研究还未充分完善,现有研究成果还无法针对跨海桥梁高桩承台的荷载设计提供有效的指导。因此,研究跨海桥梁高桩承台极端波浪冲击作用具有重要的意义。

信度指测量结果的一致性、稳定性以及可靠性,一般多以内部一致性系数(Cronbach’ α)来检验。如表1所示,各构念的Cronbach’ α系数的变动范围在0.919~0.951之间,均大于0.7,因而可以说研究中采用的量表具有较好的信度。另一方面,构念的组合信度(CR)也是判别内在质量的标准之一,各构念的CR值均在0.60以上,表示量表的内在质量理想。

通过求解流体运动的雷诺时均Navier-Stokes方程(RANS)和k-ω湍流模型,基于FLOW-3D软件建立了波浪与典型高桩承台桥梁深水基础相互作用的三维数值模型,分析了作用在承台上的波浪力特性、波浪作用下承台底面的压强分布以及周围流场的变化,并研究了承台底面净空对承台波浪力的影响。

在波浪与结构相互作用研究中模拟波浪运动时,假设水体是不可压缩黏性流体,采用连续性方程和雷诺时均Navier-Stokes方程(RANS方程)作为波浪运动的控制方程

2. 申请延期审理也是一个纯粹的程序性问题,只要当事人提出的理由确实充分,法官就无权拒绝,所以这样的问题如果拖延到庭审阶段才解决的话,无疑会大大延长庭审的时间,有悖我们的审判方式向集中审理的转变。

式中,i=1,2,3,xi表示xyz坐标;ui表示流场各方向的时均速度;Ai表示各方向可流动流体的面积分数;VF表示流体的体积分数;t表示时间;p表示流体压强;ρ表示流体密度;Gi表示流体在各方向上的重力加速度;fi表示各方向上黏滞力引起的加速度,表示如下

音乐是一门听觉的艺术,声响在时间中缓缓流动,所以这门学科和多媒体技术相结合是最恰当的,也是最好的,音乐教学中利用音响辅助文化理解也是非常重要的。教师可以通过网络收集音乐课堂需要的一些音乐,来帮助学生理解和拓展,例如在《哆来咪》一课,教师可以收集《音乐之声》中学生比较熟悉的歌曲《雪绒花》《孤独的牧羊人》《晚安歌》等音乐,通过聆听,学生对电影作品以及歌曲《哆来咪》会有更深层次的理解。

从表2的数据统计来看:游览次数分布比较平均,占比最多的是2次,占35.03%。游览时间最多的是周末和自由时间,均占比39.25%。游览目的首要的是陪伴小朋友及家人,占比53.7%;其次是休闲放松、舒缓压力,占比37.85%。信息获取渠道主要通过熟人介绍、网络信息、旅游宣传册和电视广告,四项合计占比87.45%。

其中,τbi表示各方向面上流体剪切应力;Sij表示应变率张量,v表示动力黏度,vT表示湍流黏度。

选用k-ω湍流模型来计算湍流黏度

式中,ω=ε/kkε由下式计算得到

其次,深入分析医疗收费项目和价格成本内涵,将规范的诊疗路径引入作业成本法中,使成本与医疗业务流程紧密相关,与价值链中作业相互嵌套,保证项目成本分配的动因有充分的依据,使医疗服务价格反映服务的价值。

由于本工程地下水位位于桩底以上,全干孔作业需要先行降低地下水位,实施难度大,成本花费高,安全系数低,故不予考虑;湿孔作业能达到施工要求,但近年来,郑州市环保要求高,钻孔泥浆造成大量污染,储存及运输难度大,不利于环境治理。故综合考虑选择半湿孔钻孔作业,既加快了进度,减少了投入,又有利于环境治理。

本文模型中,水槽左侧入流边界定义为波浪边界,采用速度入口法造波;右侧为出流边界,采用Sommerfeld辐射边界条件进行消波;前后两侧设定为对称边界;底部设定为壁面边界条件;液面以上设为压力边界,压强设置为1个标准大气压。采用流体体积法(VOF法)[19]追踪运动液体的自由表面,其基本思想是在计算域中的每个单元内定义一个流体体积函数FF定义为单元内流体所占有的体积与该单元内可容纳流体体积之比。F是空间和时间的函数,满足以下输运方程

F=0时,表示单元内不含流体;当F=1时,表示单元被流体占满;当F介于0和1之间时,表示单元包含有自由表面。

为了更好地消除波浪的反射,在水槽的末端段设置阻尼区域,阻尼层消波的原理是在流体运动控制方程中引入阻尼力,阻尼力和阻尼层中水体流速和阻尼系数有关,阻尼系数沿波浪传播方向线性增大。很多研究表明采用辐射出流边界与阻尼层结合的方式能够大大提高消除波浪反射的效果[20]

为了验证数值模型对非线性波的模拟效果,将数值模型计算的波面时间历程与理论值进行对比,波浪参数为波高H=0.15 m,周期T=1.15 s,水深d=0.9 m,符合斯托克斯五阶波浪理论。对比结果如图1所示,图中黑色实线为根据斯托克斯五阶波浪理论计算得出的理论解,红色实心点为数值计算结果。由图1可知,本文数值模型与理论解析结果无论在波峰和波谷都较为吻合,波浪传播的稳定性较好,基本不存在波高的衰减和抬升,说明本模型消波效果良好,可以较为准确地模拟波浪的运动。

3 波浪-承台数值建模

高桩承台桥梁深水基础由承台和桩基组成,与波长相比,承台属于大尺度结构物,而桩基属于小尺度结构物,承台会对结构周围的流场产生影响。承台通常位于波浪主要作用范围内,承担着较大的波浪冲击荷载,承台上承受的波浪荷载是结构安全设计考虑的关键荷载之一。为了研究承台波浪荷载作用,基于上述验证的数值模型,建立如图2所示长14 m,宽2 m,高1.3 m的数值波浪水槽。

图2 数值波浪水槽示意(尺寸非等比例)(单位:m)

考虑到承台高程对高桩承台基础波浪力有较大影响,为了研究承台位置对波浪力的影响,定义承台底面距静水面的距离为净空s(图2)。s为正,说明承台底面位于静水面以上,反之,承台底面位于静水面以下。所建立的高桩承台模型上部是40 cm×26.67 cm×15 cm的矩形承台,下部是由12根直径为5 cm的圆柱组成的群桩,几何模型和详细尺寸如图3所示。

图3 高桩承台模型平面示意(单位:cm)

设置了5种不同的净空条件,净空s分别取为4,2,0,-7.5,-15 cm。波浪参数选取如下:水深0.9 m,波高0.18 m,周期1.25 s,选用斯托克斯五阶波浪理论。为了较精确地模拟波浪的运动同时兼顾计算效率,在划分网格时,在水面附近波高范围内网格尺寸设置为Δx=0.025 m,对于远离波峰和波谷的区域内在Z向采用稀疏的渐变网格,同时满足一定的渐变率和纵横比以保证计算的收敛性和稳定性。为了能够较为精确地模拟波浪与结构物的相互作用,更好地描述承台与桩基的几何形状、捕捉承台周围的流场形态,在承台周围采用较精细的网格进行局部加密,加密网格的尺寸为Δx=0.012 5 m,Δy=0.012 5 m。同时为了避免由于网格大小突变而导致的数值计算不稳定问题,在网格加密区周围设置渐变网格,使网格从粗网格逐渐过渡到细网格。网格划分如图4所示。

为了研究承台波浪力的特性,通过将流体压应力和剪切应力沿着承台与水体接触表面进行积分,提取承台上作用的波浪合力,图5和图6分别给出了净空为零时承台上水平和竖向波浪力的时间历程。由图5可知,水平波浪力呈现明显的周期性,正负波浪力不对称,且正向波浪力大于负向波浪力。由图6可知,竖向波浪力时程可划分为3个阶段:首先,在波浪与承台刚接触时出现一个幅值较大而历时很短的冲击力,然后是一个变化较为缓慢的波浪动水荷载,最后在波浪脱离承台时,产生一个向下的负向力。此工况下,水平正向波浪力最大值为26.65 N,水平负向波浪力绝对值最大值为8.29 N,竖向向上波浪力最大值为101.02 N,竖向向下波浪力绝对值最大值为9.42 N。

图5 承台水平波浪力时程曲线

图6 承台竖向波浪力时程曲线

在高桩承台结构分析设计时,不仅需要考虑承台承受的波浪合力,还需要了解局部波浪冲击压强。为了分析波浪动水压强在承台底面的分布,从图6中取出一个波周期内几个典型时刻承台底面处的动水压力场云图,如图7所示。由图7可知,波浪动水压强沿水槽宽度方向呈对称分布。时刻t1是波浪与承台底面接触的瞬间,随着波浪的前进,最大波压强作用点也向前推移,到时刻t2时最大冲击压强达到峰值,承台底面受力面积也迅速增大,此时的竖向波浪冲击力达到最大值。到达时刻t3时,承台底面已完全被水体覆盖,而竖向波浪力数值回归到正常的准静力水平。到达时刻t4时,波浪开始脱离承台,承台底面的前部是正压区,后部出现了负压区,此时竖向波浪力为零。随着波浪继续前进,时刻t5承台底面全部承受负向波压强,此时向下的竖向波浪力绝对值达到最大。到达时刻t6时,波浪完全脱离,承台底面上的压强也变为零。

图8显示了在一个周期内,波峰经过承台与结构相互作用过程中不同的典型时刻承台周围的流场图,为了比较不同时刻水质点速度的变化,在流场图的右上角标示了每一时刻承台附近区域的最大流速。从图8可以看出,在时刻波浪向前传播即将接触承台时,承台左下方波面开始抬升,波峰前水质点向右上方运动。当波峰继续前进时受到承台的阻挡作用,波浪冲击到承台的左面和底面,时刻水质点最大速度达到最大值,竖向波浪冲击力达到峰值。波浪沿着承台迎浪面继续爬高,时刻波浪爬高至最高点时,水体的动能完全耗散,此时承台左面附近水质点速度最小,而承台右下方波浪开始出现破碎现象。时刻承台前侧水体爬升至最高点后在重力作用下开始回落,承台右侧水体发生倒卷,水体开始往回运动。时刻承台左侧面完全露出波面,右侧波面逐渐升高,此时负向水平波浪力达到最大值。随着波谷的到来,时刻波浪逐渐脱离承台,承台下水质点向左下方运动,承台受到向下的吸附力。

根据翻转装置的试验要求,翻转装置受持续增加的载荷,要达到70000 N,以1.3倍的安全系数计算,夹具需设计满足91000 N的强度。

图7 承台底面波浪动水压强分布

图8 承台周围流场变化

4.4 净空对波浪力的影响

图9显示了不同工况下模拟计算得到的承台波浪荷载时程中水平向波浪力和竖向波浪力绝对值最大值随净空的变化规律。由图9(a)可知,水平正向波浪力最大值和水平负向波浪力绝对值最大值均随着净空的减小而增大,这是因为净空减小意味着承台入水深度增大,因而承台与波浪的接触面积增大。还可以发现,当承台露出静水面时远大于这是由于承台的阻挡作用波浪发生绕射,承台后侧的波高小于前侧的波高,因而承台后侧受到的波浪力较小。当承台完全位于静水面以下时(s=-15 cm),承台对波浪的传播影响变小,和之间的差距随之变小。由图9(b)可知,当承台底面位于静水面以下时(s<0 cm),竖向向上波浪力最大值随着净空的增大而增大,当承台底面露出静水面时随着净空的增大而减小,当承台底面恰好位于静水面时最大。对于竖向向下波浪力绝对值最大值而言,其值在承台底面位于静水面以下或完全位于静水面以上时受净空的影响较小,且净空小于零时的显著大于净空大于零时的还可以看出,当净空大于等于零时,明显大于而当净空小于零时,则小于

图9 承台波浪力随净空的变化规律

基于CFD软件建立了三维波浪数值水槽模型,分析了承台受到的波浪力时程特性、承台底面波压强分布及周围流场变化规律,研究了净空对承台波浪力的影响,得到以下结论。

(1)波浪在与高桩承台相互作用中产生明显的爬高及绕射现象,承台底面受到一个幅值较大持时较短的竖向波浪冲击力,竖向波浪力包含冲击作用和波浪动水作用。

(2)承台水平波浪力随着净空的减小而增大,且由于承台的阻水效应和波浪绕射,水平正向波浪力大于水平负向波浪力。

个人理财的专业人才主要从事理财中介机构(理财公司、理财媒体等)和金融机构(包括银行、证券、保险、信托、基金等),同时也能从事企事业单位财务工作。因此,具备专业性、实操性、复合型的人才,才能胜任日益变化的金融工作。[5]

(3)承台受到的竖向向上波浪力随着净空的增加先增大后减小,当净空为零时达到最大值;当净空大于零时,向上的波浪力大于向下的波浪力,而当净空小于零时,向上的波浪力小于向下的波浪力。

综上分析,降低承台高程虽然可以降低竖向波浪冲击荷载,但会增大水平波浪荷载,施工建造难度也将大大提高。如果将承台高程设置过高,虽可降低水平和竖向波浪荷载,但桩长增加势必会导致墩底弯矩增大,使高桩承台基础结构稳定性变差。

基坑回填至隧中标高和地表时,套拱结构的最大拉应力分别为0.78 MPa、0.49 MPa。从套拱结构应力变化情况可以看出,拉应力在基坑回填过程中有所减小,这表明基坑回填后偏压作用的影响有所降低。从受力情况和检算结果看套拱结构是安全的。表4是基坑回填完毕后套拱的安全系数检算结果。

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