郭傳勝，張寧川，劉贊強，黃玉新

（大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，大連 116024）

目前，國內外應用最廣泛的開敞式固定碼頭結構形式以重力墩式和樁基結構為主。重力墩式適用于硬巖土地基，優(yōu)點是堅固耐用，承載力大，整體性好，技術成熟，缺點是對地基要求高，碼頭前易形成立波，砂石料需求大；樁基結構包括直樁碼頭結構、一般斜樁結構、導管架結構等［1］，優(yōu)點是透空碼頭，波浪反射小，泊穩(wěn)條件好，造價低，但結構承載能力有限，在硬質地基打樁施工困難。近年來又發(fā)展了一些新型碼頭結構，比如用橢圓形沉箱取代圓形沉箱或方形沉箱［2］，采用開孔沉箱改善碼頭泊穩(wěn)條件，透空高樁梁板碼頭上增加擋板［3］等結構。在開敞、半開敞海域，透空結構碼頭是碼頭結構發(fā)展的重要方向，力求將重力結構與樁基結構結合，既保留各自優(yōu)點，又能適應特定海況地質條件。在此基礎上，有學者提出一種新型碼頭結構——潛式沉箱-群樁-平臺型復合結構。與傳統(tǒng)實體沉箱碼頭相比，該復合結構充分利用波浪能量集中在水體表層的特點，在水面表層附近采用群樁代替實體沉箱，從而減少結構受力。同時，采用群樁后波浪雍高減小，有利于減小上部結構高程，結構整體重量減輕，從而使結構趨于輕型化，其受力更加合理，對地基的承載力要求降低。與單純的樁基碼頭相比，復合結構中群樁嵌入沉箱內，對地基適應性增強。

盡管諸多學術及工程界專家均對潛式沉箱-群樁-平臺新型復合結構應用前景有樂觀預期，但目前尚無工程實例。其中最主要原因是復合結構受力機理尚未明確、缺乏可靠的波浪荷載計算方法，更無相應的設計規(guī)范可依。

對復合結構水動力特性研究，至少需要考慮以下基本問題：（1）上部平臺結構在潛式沉箱-群樁影響條件下的受力機理和波浪沖擊壓力的計算方法問題；（2）潛式沉箱在群樁-上部平臺結構影響條件下受力機理和波浪荷載的計算方法問題；（3）群樁在潛式沉箱-上部平臺結構影響條件下波浪荷載的計算方法問題；（4）復合結構對波浪場耦合影響條件下整個潛式沉箱-群樁-平臺復合結構同步波浪荷載的計算方法問題。僅就潛式沉箱、群樁、上部平臺等單體結構而言，各個單體結構水動力特性研究均有較為成熟的成果，如過達等［4］、周益人等［5］、任冰［6］、丁兆強等［7］對透空結構物沖擊壓力的研究；俞聿修［8］、張寧川［9］、王愛群、徐立倫等［10］對小尺度樁柱單樁、雙樁和群樁波浪力的研究，李玉成等［11-12］對沉箱波浪荷載計算方法的研究等。

一般而言，潛式沉箱-群樁-平臺新型復合結構的任何一部分的波浪荷載都受到復合結構對波浪場耦合影響，在沒有其他結構物干擾下取得的潛式沉箱、群樁、上部平臺結構波浪荷載的計算方法不宜直接應用到復合結構計算上。

本文通過物理模型試驗方法，對潛式沉箱-群樁-平臺新型復合結構的波浪總力問題進行試驗研究。在其對波浪場耦合影響條件下，分別測量了復合結構3個組成部分的各自受力及復合結構總波浪力。

基于模型試驗結果，給出了規(guī)則波和不規(guī)則波作用下潛式沉箱-群樁-平臺型復合碼頭結構所受到的三維波浪力，分析了復合結構所受到的正向波浪力和垂向波浪力的影響因素，利用最小二乘法擬合了波浪力與主要影響因素之間的相關關系。以期上述結果對于明確復合結構的受力機理，掌握其水動力特性、提供復合結構波浪荷載的實用化計算方法有所助益。

1 模型試驗條件和方法

1.1 模型設計

1.1.1 復合碼頭結構的基本構造

以某實際工程為背景設計的潛式沉箱-群樁-平臺型復合結構見圖1，其構造可分為：（1）底部潛式矩形沉箱：為三維水下結構，起維持結構穩(wěn)定和上部結構支撐基礎作用；（2）中部樁柱群：由三排樁柱組成，靠近外海一側兩樁柱半徑為R1，近岸兩排樁柱半徑為R2；（3）上部平臺結構：平臺結構根據功能可分為2類，用作棧橋類無靠船功能時平臺底面為一個平面，或用作靠船墩類結構時，靠船一側根據靠船需求平臺底往下延伸。平臺迎浪側距水面距離為S1，背浪側距水面距離為S2。

1.1.2 復合碼頭結構的模型設計

模型設計依據重力相似準則進行，正態(tài)模型比尺設定為1：60。試驗模型采用有機玻璃制成。其中，底部潛式矩形沉箱和上部平臺結構壁厚1.0 cm，完全封閉，具有足夠的剛度；中部樁柱群由空心有機玻璃管制成，兩端封閉；3個單體由特制連接件剛性連接。

1.2 試驗方法

模型在寬水槽內的布置見圖2。模型放置在距造波板35 m處，離水槽邊壁均為1.875 m，可不考慮邊界效應。試驗波浪采用規(guī)則波和不規(guī)則波。波要素率定在模型放置之前進行。規(guī)則波采集時間保證10個以上波浪平均周期，不規(guī)則波采集時間保證100個以上波浪平均周期，采樣時間間隔為0.02 s。

復合結構總力試驗時，模型與總力傳感器相連，懸掛在鋼架上。采用的總力傳感器可同時測量x、y、z 3個方向的波浪力。x、y、z 3個方向的波浪力同步的采集時間和步長與對應的波浪一致。

結構所受波浪總力試驗共分3部分進行：（1）測量復合結構整體受力，即潛式沉箱+群樁+平臺受力；（2）測量群樁+平臺受力；（3）測量平臺受力。

同一波浪要素情況下，對以上3種結構組合的波浪總力進行分析，即可得出潛式沉箱、群樁和平臺各自受到的波浪力。

1.3 試驗組別

從量綱分析角度而言，影響復合結構波浪力的因素應包括波浪動力要素的無量綱和復合結構與動力要素結合的無量綱參量兩部分，具體而言，波浪動力要素的無量綱參數主要有相對波高H/d和相對水深d/L；復合結構與動力要素結合的無量綱參數主要有潛式沉箱相對潛深d1/L、潛式沉箱相對沉箱長度A1/L和上部結構相對透空S1/H。因此，可將復合結構運動響應與影響因素關系描述為

式中：d為水深；Aj=1，2，3分別為潛式沉箱的長、寬和高；d1為沉箱潛深；H、L 分別為波高和波長；S1為凈空高度。以盡可能全面考慮各種因素影響、同時盡可能減小試驗工作量為原則，模型試驗組別設計如下。

試驗時，模型水深（d=40.83 cm）、模型潛式沉箱尺寸A1×A2×A3（40.8 cm×25 cm×25 cm）、平臺下表面與水平面高差（S1=3.33 cm和S2=6.67 cm）保持不變。通過改變波要素方法改變各個無量綱影響參數。

規(guī)則波波高范圍為5～13.33 cm，分11檔；周期范圍為1.03～1.55 s，分3檔；不規(guī)則波高采用JONSWAP譜，譜峰升高因子γ=3.3。H1%波高范圍和平均周期范圍及分檔情況與規(guī)則波一致。

試驗組次及其對應的主要無量綱參數的變化范圍匯總于表1。

表1 波要素和主要參數Tab.1 Wave elements and main parameters

2 試驗結果及分析

2.1 復合結構波浪力總力基本特征

在圖1坐標體系中，x、y、z方向的三維波浪力（正向力、橫向力和垂向力）分別以Fx、Fy、Fz描述，各項分力正向定義為：+Fx為波浪傳播方向，+Fz為垂直向上，x、y、z軸構成右手坐標系。波浪力單位為N。

在規(guī)則波周期1.33 s、波高10.0 cm和不規(guī)則波有效周期1.33 s、H1%波高10.00 cm工況條件下，復合結構處的波面、正向力、橫向力和垂向力的時間序列示例見圖3。由圖3可以看出，無論是規(guī)則波還是不規(guī)則波，正向力、垂向力與入射波浪的頻率基本一致；而橫向力的頻率大于波浪頻率，含有高頻成分，這主要是渦流的擾動作用引起的。從波浪力的大小看，橫向力僅為波向力的1/10，對結構穩(wěn)定威脅小。本文重點分析復合結構受到的正向力和垂向力的峰值。對規(guī)則波，總力峰值取10個波浪的平均值，對不規(guī)則波，總力峰值取整個波浪序列中（約120個波浪）的最大值（大體相當于1%大值）。

2.2 正向波浪力試驗結果分析

選取參數F0=ρgdA2A3，將復合結構波浪力無量綱化，其中ρ為水體密度，g為重力加速度。就正向波浪力而言，透空高度影響較小，暫不考慮相對透空的影響，則無量綱化正向總波浪力可表示為Fx/F0=fx（H/d，A1/L，d1/L）。

2.2.1 相對波高與正向波浪力的關系

在此考察結構總正向波浪力峰值與相對波高之間的關系。以相對水深為影響因子，圖4-a和圖4-b分別給出了規(guī)則波和不規(guī)則波條件下，相對波高H/d對與無因次總正向力Fx/F0關系的試驗結果。其中試驗規(guī)則波的平均波高和不規(guī)則波H1%波高一致；規(guī)則波采用平均周期對應的波長L，不規(guī)則波采用譜峰周期對應的波長Lp。

由圖4-a可見，規(guī)則波條件下，在試驗的相對水深（d/L=0.166～0.305）范圍內，Fx/F0與H/d之間基本為線性關系，總正向力隨著波高的增大而增大。

由圖4-b可見，不規(guī)則波條件下，總正向力隨著波高的變化規(guī)律與規(guī)則波變化規(guī)律有一定的差別：盡管Fx/F0依然隨H/d增大而增大，但在試驗相對水深較?。╠/Lp≤0.127）時，Fx/F0與H/d之間的線性關系被破壞，兩者呈非線性關系。

2.2.2 沉箱相對尺度與正向波浪力的關系

在此考察結構總正向波浪力峰值與相對沉箱尺度之間的關系。對于沉箱三維結構正向波浪力而言，受力面積的影響在無因次波浪力中考慮（參見F0的定義），在此給出A1/L與無因次總正向力Fx/F0關系的試驗結果（圖5-a和圖5-b）。

圖5-a為規(guī)則波作用下的試驗結果。由圖5-a可見，當相對波高較?。℉/d≤0.206）時，無因次正向波浪總力基本不受沉箱縱向尺度的影響，隨著波高增加，無因次正向波浪總力隨沉箱縱向尺度的增加先增大后減小，在A1/L=0.19附近達到峰值。這一現象可類比波浪對方箱的作用［12］，通常情況下，波浪對方箱的作用在ka（k為波數，a為方箱尺度）達到某一數值時也出現峰值，體現結構受力的非線性特征。

圖5-b為不規(guī)則波作用下的試驗結果。由圖5-b可見，不規(guī)則波浪作用于結構時，在本試驗范圍內，Fx/F0隨A1/L的變化趨勢為隨沉箱縱向尺度的增加而增大，但相對波高較大（H/d=0.276）時，已經出現無因次正向波浪總力基本不受沉箱縱向尺度影響的趨勢。預計進一步增加沉箱縱向尺度，也將出現在A1/L某一數值達到峰值后，無因次正向波浪總力將不再隨沉箱縱向尺度的增加而增大，對此應在下一步工作中進行驗證。

2.2.3 相對沉箱潛深與正向波浪力的關系

保持波高、水深和波長不變，圖6-a和圖6-b分別給出了規(guī)則波和不規(guī)則波條件下相對沉箱潛深d1/L對與無因次總正向力Fx/F0關系的試驗結果。由圖6-a中規(guī)則波試驗結果可以看出，Fx/F0與d1/L呈非線性相關，Fx/F0隨d1/L增加而先減小后增大，在d1/L=0.15附近達到最小值。

圖6-b為不規(guī)則波試驗結果，由圖6-b可以看出，Fx/F0隨d1/L增加而逐漸減小，最小值出現在d1/L=0.15附近，這與規(guī)則波結果一致。

2.3 垂向波浪力試驗結果分析

參照復合結構無量綱化總水平力極值分析，選取參數F0=ρgdA2A3，將復合結構波浪力的無量綱化，以復合結構無量綱化總垂向波浪力峰值為研究對象。影響無量綱化總垂直波浪力的主要因素可以用函數表達式表示為Fz/F0=fz（H/d，A1/L，d1/L），式中各符號含義參見表1。

2.3.1 相對波高與垂向波浪力的關系

以相對水深為影響因子，圖7-a和圖7-b分別給出了規(guī)則波和不規(guī)則波條件下相對波高H/d與無因次總正向力Fz/F0關系的試驗結果。其中試驗規(guī)則波的平均波高和不規(guī)則波H1%波高一致；不規(guī)則波采用譜峰周期對應的波長Lp。

由圖7-a和圖7-b可見，規(guī)則波和不規(guī)則波條件下，在試驗的相對水深（d/L=0.166～0.305）范圍內，Fz/F0與H/d之間基本為線性關系，總垂向力隨著波高的增大而增大。

2.3.2 相對沉箱尺度與垂向波浪力的關系

保持水深和波高不變，圖8-a和圖8-b分別給出了規(guī)則波和不規(guī)則波條件下相對沉箱長度A1/L對與無因次垂向總力Fz/F0關系的試驗結果。

由圖8-a可以看出，隨著波高增加，Fz/F0與A1/L非線性相關越來越明顯，無因次波浪力Fz/F0隨A1/L增大而增大。圖8-b為不規(guī)則波作用下結果，Fz/F0與A1/L的變化趨勢與規(guī)則波作用下圖8-a中一致，Fz/F0與A1/L呈非線性相關。

2.3.3 相對沉箱潛深與垂向波浪力的關系

保持波高和水深不變，圖9-a和圖9-b分別給出了規(guī)則波和不規(guī)則波條件下相對沉箱潛深d1/L對與無因次總正向力Fz/F0關系的試驗結果。由圖9-a可以看出，Fz/F0與d1/L之間呈非線性相關，Fz/F0隨d1/L增大而逐漸減小。

圖9-b為不規(guī)則波試驗結果，從整體趨勢上看，Fz/F0隨d1/L變化規(guī)律與規(guī)則波情況下變化一致。

2.4 復合結構各組成部分受力

如前所述，模型試驗時，對于同一波浪要素分別進行3組試驗：（1）測量復合結構整體受力，即潛式沉箱+群樁+平臺受力；（2）測量群樁+平臺受力；（3）測量平臺受力。

具體試驗時，一直保持復合結構的整體性（保持復合結構對波浪場耦合影響不變），僅將測力構件與測力儀連接，進行各個部分受力時間過程樣本采集，采集方法和整體結構受力采集方法一致，進而即可得出潛式沉箱、群樁和平臺各自受到的波浪力。

圖10給出了一組復合結構的各組成部分（上部平臺、樁群、沉箱）的受力隨相對透空S1/H的變化試驗結果示例。同一圖中也給出了對應條件下復合結構總波浪力。試驗相對波高H/d=0.10～0.27，潛式沉箱相對潛深d1/L=0.103。

由圖10-a可以看到，就復合結構受到的正向波浪力（Fx）而言，潛式沉箱是最主要部分，試驗范圍內潛式沉箱承受的正向力可達復合結構受到的總正向波浪力的79%～84%；其次為樁群的受力，試驗范圍內樁群承受的正向力約占復合結構受到的總正向波浪力的10%～15%；相對透空對潛式沉箱和群樁正向力的影響不大。上部平臺結構受到的波浪力隨相對透空高度增加逐漸減小，但其占復合結構總正向波浪力的比例很小，為1%～5%。由圖10-b可以看到，就復合結構受到的垂向波浪力（Fz）而言，潛式沉箱依然是最主要部分，試驗范圍內潛式沉箱承受的垂向力可占復合結構受到的總垂向波浪力的70%以上；與正向力有所不同，沉箱承受的垂向力受相對透空的影響較為明顯，在試驗范圍內隨相對透空的增加而增大。

復合結構垂向波浪力的另一主要部分為上部結構，相對透空越小，上部結構承受的垂向波浪力越大；相對透空S1/H增大到波面接觸不到上部結構底面時，上部結構承受的波浪力變?yōu)?。

2.5 復合結構波浪力計算方法探討

基于試驗結果，考慮影響復合結構波浪力的主要因素，采用最小二乘法線性擬合復合結構無量綱化正向波浪總力，分別得到復合結構總正向波浪力和總垂向波浪力的經驗關系。

無因次總正向波浪力可描述為

式中參數取值范圍：0.109＜A1/L＜0.258；0.1＜H/d＜0.27；0.063＜d1/L＜0.198。由式（2）可以看出：在復合結構無因次水平波浪總力的各影響因素中，相對沉箱長度影響最大，相對波高其次，潛式沉箱的相對潛深影響最小。將擬合公式計算結果與試驗結果進行對比，其相關系數R=0.955 4。將式（2）的計算值與實驗值點繪成圖11，由圖11中大部分點均分布在y=x周圍，可見計算值與實驗值吻合良好。

無因次總橫向波浪力可描述為

式中參數取值范圍為 0.109＜A1/L＜0.258；0.1＜H/d＜0.27；0.063＜d1/L＜0.198。從式（3）可以看出：在復合結構無因次垂向波浪總力的各影響因素中，潛式沉箱的相對長度影響最大，相對波高其次，沉箱相對潛深影響最小。將擬合公式計算結果與試驗結果進行對比，其相關系數R=0.964 7。將式（3）的計算值與實驗值點繪成圖12，圖中各點均分布在y=x周圍，說明計算值與實驗值吻合良好。

3 結論

本文對由重力墩式和樁基結構相結合的潛式沉箱-群樁-平臺型復合結構進行波浪總力試驗研究?？疾炝藦秃辖Y構受到的正向波浪總力和垂直波浪總力與各個主要影響因素之間的關系，在試驗范圍內擬合了經驗公式。得出以下認識：

（1）相對波高和相對沉箱尺寸是影響復合結構正向受力的主要因素。當H/d≤0.242時，無因次正向波浪總力基本不受沉箱縱向尺度的影響，隨著波高增加，無因次正向波浪總力隨沉箱縱向尺度的增加先增大后減小，在A1/L=0.19附近達到峰值。

（2）無因次正向波浪力隨相對沉箱潛深的增大而先減小后增大，在d1/L=0.15附近達到谷值。

（3）相對波高和相對沉箱尺寸是影響復合結構垂向受力的主要因素。無因次垂向波浪總力隨相對波高和相對沉箱尺寸增加而增大，隨相對沉箱潛深的增大而逐漸減小。

在復合結構受力的各個影響因素中，相對沉箱長度（A1/L）對復合結構受力影響較大，在結構設計中應予以重視。復合結構雖然在結構總力上有很大優(yōu)勢，但是碼頭上部結構要滿足作業(yè)要求，不可能無限高，不可避免要承受波浪的沖擊作用，如何確定合理的碼頭面高程將是下一階段要考慮的重要內容。

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