桂 福 坤， 陳 天 華， 趙 云 鵬， 董 國 海

( 1.浙江海洋大學(xué) 國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心， 浙江 舟山 316022；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024 )

固定方式對(duì)樁柱式圍網(wǎng)網(wǎng)片波浪力學(xué)特性影響研究

桂 福 坤*1， 陳 天 華1， 趙 云 鵬2， 董 國 海2

( 1.浙江海洋大學(xué) 國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心， 浙江 舟山 316022；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024 )

淺海圍網(wǎng)養(yǎng)殖是新興的一種生態(tài)型養(yǎng)殖模式，其中比較典型的樁柱式圍網(wǎng)，主體由排樁和網(wǎng)片組成．圍網(wǎng)網(wǎng)衣系統(tǒng)安全是決定圍網(wǎng)養(yǎng)殖工程安全的關(guān)鍵所在，因此針對(duì)樁柱式圍網(wǎng)中的單元網(wǎng)片，采用數(shù)值方法對(duì)其在波浪作用下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，著重分析了不同網(wǎng)片尺度和固定方式下單元網(wǎng)片的網(wǎng)線張力分布、結(jié)節(jié)偏移和樁柱系縛點(diǎn)受力特性．結(jié)果表明，波浪條件下樁柱式圍網(wǎng)單元網(wǎng)片的網(wǎng)線最大張力主要出現(xiàn)在網(wǎng)片上端兩側(cè)位置，網(wǎng)線最大張力與網(wǎng)片尺寸成正比；單元網(wǎng)片結(jié)節(jié)最大偏移主要出現(xiàn)在網(wǎng)片的中上位置，同樣結(jié)節(jié)最大偏移與網(wǎng)片尺寸成正比．兩者均隨系縛點(diǎn)數(shù)量的增加先減小后在系縛點(diǎn)多于4個(gè)時(shí)趨于穩(wěn)定；網(wǎng)片與樁柱的系縛點(diǎn)最大受力出現(xiàn)在上端點(diǎn)，其次是下端點(diǎn)，且數(shù)值上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁柱中間的系縛點(diǎn)，并隨網(wǎng)片尺寸的增大而增大，隨系縛點(diǎn)數(shù)量的增加而不斷減?。?/p>

樁柱式圍網(wǎng)養(yǎng)殖；單元網(wǎng)片；數(shù)值模擬；固定方式；波浪

0 引 言

淺海圍網(wǎng)養(yǎng)殖是繼陸基工廠化養(yǎng)殖、岸邊灘涂養(yǎng)殖和圍塘養(yǎng)殖、淺海網(wǎng)箱養(yǎng)殖之后研發(fā)的一種新興的海水生態(tài)養(yǎng)殖模式．樁柱式圍網(wǎng)主要由管樁和網(wǎng)片構(gòu)成．布置方式是圍網(wǎng)養(yǎng)殖工程最為重要的影響因素之一，圍網(wǎng)安全與固定方式緊密相關(guān)，因此，開展圍網(wǎng)網(wǎng)片在不同固定方式下受波浪作用的水力特性研究意義重大．近年來，國內(nèi)外已有許多有關(guān)網(wǎng)衣在波浪作用下的水動(dòng)力特性研究，宋偉華等[1]采用4種網(wǎng)箱系泊方法，進(jìn)行了單點(diǎn)系泊網(wǎng)衣構(gòu)件水槽波浪試驗(yàn)研究，結(jié)果表明單點(diǎn)系泊在波浪條件下構(gòu)件水動(dòng)力有較大的增加．李玉成等[2]利用模型試驗(yàn)對(duì)單片網(wǎng)衣在波浪作用下的水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明網(wǎng)衣密實(shí)度對(duì)網(wǎng)衣速度力系數(shù)的影響相對(duì)較大，網(wǎng)衣所受慣性力項(xiàng)和速度力相比很小，可以忽略．劉莉莉等[3]應(yīng)用有限元方法與集中參數(shù)法建立了張網(wǎng)在波流場(chǎng)中的數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬來研究張網(wǎng)在波流作用下的水動(dòng)力特性，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與水槽模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，符合良好．Chan等[4]通過數(shù)值模擬對(duì)穿過柔性漁網(wǎng)的表面波散射進(jìn)行了研究分析，清楚地揭示了柔性滲透屏障對(duì)波浪傳播的影響規(guī)律．Tsukrov等[5]應(yīng)用有限元法建立了網(wǎng)片在波浪和水流環(huán)境負(fù)荷下的水動(dòng)力響應(yīng)模型，并將其結(jié)果應(yīng)用到計(jì)算張力腿網(wǎng)箱中．葉衛(wèi)富[6]通過模型試驗(yàn)對(duì)浮繩式圍網(wǎng)的水動(dòng)力特性進(jìn)行了初步研究，但受試驗(yàn)條件限制，測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果的應(yīng)用有一定局限性．

樁柱式圍網(wǎng)養(yǎng)殖是一種新興的海洋養(yǎng)殖模式，結(jié)構(gòu)上有其特殊性，對(duì)圍網(wǎng)網(wǎng)衣系統(tǒng)的水動(dòng)力研究目前少有報(bào)道．淺海圍網(wǎng)工程的網(wǎng)衣系統(tǒng)與深水網(wǎng)箱、捕撈漁具結(jié)構(gòu)上有較多不同，網(wǎng)衣系統(tǒng)安全是決定圍網(wǎng)養(yǎng)殖工程安全的關(guān)鍵所在．本文采用集中質(zhì)量點(diǎn)法對(duì)樁柱間單元網(wǎng)片建立波浪作用下網(wǎng)片的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，并通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究不同布置方式下圍網(wǎng)網(wǎng)片的網(wǎng)線張力分布、結(jié)節(jié)偏移和系縛點(diǎn)受力，為樁柱式圍網(wǎng)設(shè)計(jì)、制作、海上敷設(shè)和圍網(wǎng)抗風(fēng)浪技術(shù)的研發(fā)等提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐．

1 數(shù)值模擬方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

圍網(wǎng)網(wǎng)片屬于典型的柔性結(jié)構(gòu)物，可采用集中質(zhì)量法進(jìn)行模擬．假定網(wǎng)片是由有限的無質(zhì)量彈簧連接的集中質(zhì)量點(diǎn)所構(gòu)成，通過計(jì)算集中質(zhì)量點(diǎn)在波浪和邊界條件作用下的位移，來得到網(wǎng)的形狀．模型的集中質(zhì)量點(diǎn)設(shè)于每個(gè)網(wǎng)目目腳的兩端，每個(gè)集中質(zhì)量點(diǎn)包含網(wǎng)目的一個(gè)結(jié)節(jié)和兩個(gè)目腳，如圖1(a)所示．把結(jié)節(jié)近似看成圓球，目腳看作圓柱形桿件，所以它具有圓柱的水動(dòng)力性質(zhì)．

(a) 集中質(zhì)量點(diǎn)示意圖

(b) 單元網(wǎng)片示意圖

圖1 單元網(wǎng)片計(jì)算模型示意圖

Fig.1 The schematic diagram of calculation model for unit net panel

網(wǎng)衣集中質(zhì)量點(diǎn)受力主要包括重力、浮力、網(wǎng)線張力、波浪力等，網(wǎng)衣受到的波浪力可根據(jù)莫里森方程[7]來計(jì)算．在計(jì)算目腳的波浪力時(shí)需考慮波浪入射方向與網(wǎng)線夾角關(guān)系，本文在目腳上建立局部坐標(biāo)系(ξ，η，τ)，τ方向?yàn)檠啬磕_方向，ξ軸為在τ和水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)速度vr組成的平面內(nèi)與τ垂直[8-10]．在整體坐標(biāo)系下，局部坐標(biāo)系的ξ、η、τ軸單位矢量可以通過已知的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)速度vr=vw-v0和目腳方向τ=(x1-x0y1-y0z1-z0)向量叉乘得到，為

FD bar=FDξ+FDη+FDτFI bar=FIξ+FIη+FIτ

其中

在整體坐標(biāo)系下將集中質(zhì)量點(diǎn)所包含的結(jié)節(jié)和目腳的受力進(jìn)行累加：

T=T1+T2+T3+T4FD=FD node+FD barFI=FI node+FI barW=Wnode+WbarB=Bnode+Bbar

然后利用牛頓第二定律建立質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程．網(wǎng)衣模型簡(jiǎn)化后的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程[11-13]為

(M+ΔM)a=T+FD+FI+W+B

其中

式中：ΔM、M分別表示各集中質(zhì)量點(diǎn)的附加質(zhì)量和質(zhì)量，a表示各集中質(zhì)量點(diǎn)的加速度矢量，T表示集中質(zhì)量點(diǎn)所受到的張力矢量，F(xiàn)D、FI分別表示集中質(zhì)量點(diǎn)的速度力矢量和慣性力矢量，W表示質(zhì)點(diǎn)的重力矢量，B表示質(zhì)點(diǎn)的浮力矢量，ρw表示水體的密度，CD表示速度力項(xiàng)系數(shù)，A表示網(wǎng)線沿波浪方向的投影面積，v、vr分別表示波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度矢量和相對(duì)速度矢量，CM表示慣性力項(xiàng)系數(shù)，?表示網(wǎng)線構(gòu)件的體積，Cm表示附加的質(zhì)量力項(xiàng)系數(shù)，d為網(wǎng)線直徑，l0為網(wǎng)線原始長(zhǎng)度，l為變形后的長(zhǎng)度，C1、C2為構(gòu)件材料彈性系數(shù)．

建立的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為典型的二階偏微分方程，可采用歐拉法、龍格庫塔法等多種方法求解．本文利用Fortran軟件編程計(jì)算求解，采用歐拉法即可獲得良好的收斂性．計(jì)算中首先根據(jù)網(wǎng)片的初始狀態(tài)，計(jì)算網(wǎng)線上的波浪力以及網(wǎng)線變形所產(chǎn)生的拉力，基于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程求解出質(zhì)點(diǎn)的加速度，然后根據(jù)向前歐拉公式[14]：yi+1=yi+h·f(xi，yi)，求出下一時(shí)間步長(zhǎng)的質(zhì)點(diǎn)位移和速度，從而確定網(wǎng)片形狀，最后以求出的質(zhì)點(diǎn)位置和速度作為網(wǎng)片新的狀態(tài)參數(shù)，重復(fù)上述步驟直至結(jié)束．

1.2 模型驗(yàn)證

本文引用文獻(xiàn)[15]中的預(yù)加張力放射法系泊網(wǎng)衣波浪試驗(yàn)情況，對(duì)實(shí)際漁用網(wǎng)衣J，在波浪周期1.6 s試驗(yàn)條件下進(jìn)行了數(shù)值模擬．網(wǎng)衣J尺寸為90.5 cm×80.6 cm(寬×高)，材料為PE，縮結(jié)系數(shù)為0.707，網(wǎng)目大小為4 cm，網(wǎng)線直徑為1.95 mm，網(wǎng)目數(shù)為32×28.5．網(wǎng)衣框架為HDPE空心管材，管材外徑14 mm，框架底部距離池底100 mm，水深0.7 m．圖2給出了各種波高下網(wǎng)衣水平波浪力最大值的模擬結(jié)果．由圖可見，在各種不同的波高條件下，網(wǎng)衣水平波浪力最大值的模擬值和試驗(yàn)值吻合較好．

圖2 網(wǎng)衣水平波浪力模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比

1.3 計(jì)算參數(shù)選取

圍網(wǎng)所用網(wǎng)衣有多種材質(zhì)，大多采用PE網(wǎng)和超高相對(duì)分子質(zhì)量纖維網(wǎng)，有些圍網(wǎng)也采用金屬網(wǎng)(如銅網(wǎng))．網(wǎng)衣的尺寸也有所不同，單元網(wǎng)片寬度一般為3～5 m，高度一般為6～10 m．本文重點(diǎn)研究波浪對(duì)網(wǎng)片不同部位受力分布特性的影響，簡(jiǎn)單起見，網(wǎng)片全部采用PE材質(zhì)，網(wǎng)目大小2a=8 cm，網(wǎng)線直徑d=3 mm，水平縮結(jié)系數(shù)0.66，垂直縮結(jié)系數(shù)0.75．采用線性波浪理論，水深10 m．為避免波浪條件下，網(wǎng)片露出水面而導(dǎo)致受力差異，研究時(shí)，網(wǎng)片上邊纜水下布置深度為二分之一波高．本文主要關(guān)注網(wǎng)片尺寸和系縛方式對(duì)圍網(wǎng)網(wǎng)片的影響，因此波浪要素僅給定一種情況，即取波高H=3 m，波向θ=90°，波周期T=7 s．網(wǎng)片尺寸取寬×高=1 m×6 m，2 m×6 m，3 m×6 m，4 m×6 m和5 m×6 m；系縛方式主要指單元網(wǎng)片在圍網(wǎng)樁柱上的系縛點(diǎn)數(shù)量，共設(shè)置6種情況，即單邊系縛點(diǎn)數(shù)量分別為2、3、4、5、7、13個(gè)，如圖3所示．網(wǎng)片四邊用10 mm繩索加勁，如圖1(b)所示．由于計(jì)算中網(wǎng)片結(jié)節(jié)數(shù)較多，為減少計(jì)算時(shí)間、提高計(jì)算效率，采用網(wǎng)目群化方法[16-17]將相鄰64個(gè)網(wǎng)目合并為一個(gè)等效大網(wǎng)目．

圖3 網(wǎng)片系縛方式示意圖

網(wǎng)目群化后，13點(diǎn)系縛為完全系縛，即計(jì)算模型中，每個(gè)邊側(cè)節(jié)點(diǎn)均被約束．

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)片尺寸對(duì)圍網(wǎng)網(wǎng)片波浪力學(xué)特性的影響

研究時(shí)，給定一種網(wǎng)片系縛方式，即5點(diǎn)系縛，此時(shí)系縛點(diǎn)間距與網(wǎng)片橫寬比按網(wǎng)片尺寸的增加依次為1.500、0.750、0.500、0.375、0.300．重點(diǎn)關(guān)注5種不同尺寸的單元網(wǎng)片，在波浪作用下的網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移，以及網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)的受力特性．結(jié)節(jié)最大偏移指的是網(wǎng)衣變形后，結(jié)節(jié)到網(wǎng)片初始平面的最大偏移距離．

2.1.1 網(wǎng)線張力與結(jié)節(jié)偏移 圖4和圖5給出了網(wǎng)線最大張力、結(jié)節(jié)最大偏移與網(wǎng)片尺寸的關(guān)系．由圖可見，兩者均隨網(wǎng)片尺寸增大而增大．網(wǎng)線最大張力出現(xiàn)在網(wǎng)片上端兩側(cè)位置(如圖6實(shí)粗線所示)，但尺寸為w0(寬)×l0(長(zhǎng))=1 m×6 m 的網(wǎng)片網(wǎng)線最大張力出現(xiàn)位置有所不同．網(wǎng)片中結(jié)節(jié)最大偏移位置出現(xiàn)在網(wǎng)片中上部(如圖6星號(hào)所示)．

圖4 網(wǎng)線最大張力隨網(wǎng)片尺寸的變化

圖5 結(jié)節(jié)最大偏移隨網(wǎng)片尺寸的變化

2.1.2 圍網(wǎng)網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)之間的受力特性 圖7給出了網(wǎng)片在圍網(wǎng)樁柱上的5個(gè)系縛點(diǎn)(系縛點(diǎn)編號(hào)No.為1、4、7、10、13，見圖3)的最大受力值與網(wǎng)片尺寸的關(guān)系．由圖可見，首尾兩端系縛點(diǎn)(No.1和13)的受力遠(yuǎn)大于中間系縛點(diǎn)的受力，且最大受力值隨網(wǎng)片尺寸的增大而迅速增大；中間系縛點(diǎn)(No.4、7、10)的最大受力隨網(wǎng)片尺寸的增大變化相對(duì)較?。?/p>

圖6 不同網(wǎng)片尺寸下網(wǎng)線張力最大的部位(實(shí)粗線)和結(jié)節(jié)偏移最大的部位(星號(hào))

Fig.6 The position of the maximum twine force (heavy lines) and the maximum offset of the nodes (pentagram) under different net panel′s sizes

圖7 不同尺寸網(wǎng)片各系縛點(diǎn)的最大受力情況

2.2 系縛方式對(duì)圍網(wǎng)網(wǎng)片波浪受力特性的影響

在給定網(wǎng)片尺寸(寬×高=3m×6m)條件下，本文研究了系縛方式對(duì)圍網(wǎng)網(wǎng)片的網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移以及網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)受力的影響．此時(shí)系縛點(diǎn)間距與網(wǎng)片橫寬比按系縛點(diǎn)數(shù)的增加依次為2.000、1.000、0.667、0.500、0.333、0.020．

2.2.1 最大網(wǎng)線張力與結(jié)節(jié)偏移 圖8和9給出了網(wǎng)線最大張力及結(jié)節(jié)最大偏移與系縛方式的關(guān)系．由圖可見，增加系縛點(diǎn)的數(shù)量N，有助于減小網(wǎng)線的最大張力和結(jié)節(jié)的最大偏移，但當(dāng)系縛點(diǎn)超過一定數(shù)量(本文為4點(diǎn))后，網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移不再出現(xiàn)顯著的降低．圖10中，實(shí)粗線給出了網(wǎng)線最大張力出現(xiàn)在網(wǎng)片上的位置．由圖可見，兩點(diǎn)系縛時(shí)網(wǎng)線最大張力出現(xiàn)在網(wǎng)片上下兩側(cè)位置，其他系縛方式網(wǎng)線最大張力出現(xiàn)在網(wǎng)片上端兩側(cè)位置．系縛點(diǎn)數(shù)量同樣對(duì)結(jié)節(jié)最大偏移位置有影響，隨著系縛點(diǎn)數(shù)量增加，最大偏移位置發(fā)生上移，并當(dāng)系縛點(diǎn)達(dá)到一定數(shù)量(本文為4點(diǎn))后，位置不再有大的變化，如圖10所示．

圖8 網(wǎng)線最大張力隨系縛方式的變化

圖9 結(jié)節(jié)最大偏移隨系縛方式的變化

2.2.2 圍網(wǎng)網(wǎng)片與樁柱系縛點(diǎn)之間的最大受力 圖11給出了網(wǎng)片在不同系縛方式下系縛點(diǎn)的受力情況．由圖可見，網(wǎng)片上端系縛點(diǎn)最大受力均略大于下端系縛點(diǎn)最大受力，且均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中間系縛點(diǎn)受力．隨著系縛點(diǎn)數(shù)的增加，系縛點(diǎn)最大受力整體上在逐漸減小．

圖10 不同系縛方式下網(wǎng)線張力最大的部位(粗線)和結(jié)節(jié)偏移最大的部位(星號(hào))

Fig.10 The location of the maximum twine force (heavy lines) and the maximum node offset (pentagram) with different fixations

圖11 6種系縛方式下網(wǎng)片各系縛點(diǎn)的最大受力情況

Fig.11 The maximum force at each fixing point with 6 types of fixations

3 討 論

3.1 網(wǎng)片尺寸的影響

樁柱式圍網(wǎng)主體由網(wǎng)片和排樁組成，其中圍網(wǎng)網(wǎng)片起到防止魚類逃脫和敵類侵害等作用，由此可見，保證圍網(wǎng)網(wǎng)衣系統(tǒng)安全十分重要．對(duì)圍網(wǎng)網(wǎng)片采用不同的固定方式在波浪中會(huì)產(chǎn)生不一樣的效果，其在波浪作用下的網(wǎng)線最大張力、結(jié)節(jié)最大偏移和樁柱系縛點(diǎn)最大受力是圍網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)者最為關(guān)心的指標(biāo)，也是保證惡劣海況下圍網(wǎng)養(yǎng)殖安全的首要條件．因此，圍網(wǎng)網(wǎng)片的網(wǎng)線最大張力、結(jié)節(jié)最大偏移和樁柱系縛點(diǎn)最大受力這3個(gè)指標(biāo)在樁柱式圍網(wǎng)養(yǎng)殖工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中都具有十分重要的作用．

本文研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移都與網(wǎng)片尺寸成正比．尺寸為1m×6m的網(wǎng)片因?yàn)閷挾刃∮谙悼`點(diǎn)間距，同時(shí)波浪能量隨水深衰減[18]，導(dǎo)致最大張力發(fā)生在網(wǎng)片兩側(cè)上部與系縛點(diǎn)相連的位置，如圖6所示．而其他網(wǎng)片的寬度都大于系縛點(diǎn)間距，同時(shí)伴隨波浪的影響導(dǎo)致最大張力發(fā)生在網(wǎng)片上端兩側(cè)位置．但所有的網(wǎng)線最大張力都發(fā)生在加勁繩上，這也表明對(duì)網(wǎng)片四邊進(jìn)行加勁處理是非常必要的．結(jié)節(jié)最大偏移位置位于網(wǎng)片中上部，跟波浪能量隨水深的變化有關(guān)，在網(wǎng)片此部位的最大偏移以內(nèi)盡量避免有障礙物，否則易發(fā)生網(wǎng)線因磨損而斷裂．研究結(jié)果表明，圍網(wǎng)網(wǎng)片上系縛點(diǎn)的整體受力呈現(xiàn)首尾兩端大中間小的現(xiàn)象，而且隨著網(wǎng)片尺寸的增加，首尾系縛點(diǎn)的受力會(huì)不斷增大，表明改變網(wǎng)片尺寸對(duì)首尾系縛點(diǎn)產(chǎn)生的影響大，而對(duì)中間系縛點(diǎn)的影響不明顯．因此，對(duì)網(wǎng)片首尾兩端的系縛點(diǎn)進(jìn)行加固是非常必要的．

3.2 系縛方式的影響

研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)片兩側(cè)系縛點(diǎn)受力整體呈現(xiàn)出首尾兩端大中間小的現(xiàn)象，其中首端的系縛點(diǎn)受力最大．因此，對(duì)網(wǎng)片首尾兩端的系縛點(diǎn)進(jìn)行加固是非常必要的．同時(shí)，網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移與系縛點(diǎn)數(shù)量有關(guān)，隨系縛點(diǎn)數(shù)量的增加先減小后趨于穩(wěn)定，表明增加一定數(shù)量的系縛點(diǎn)可以有效降低整個(gè)網(wǎng)片中的網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移，從而降低網(wǎng)線斷裂的風(fēng)險(xiǎn)．同時(shí)，隨著系縛點(diǎn)數(shù)量的增加，網(wǎng)片首尾系縛點(diǎn)的最大受力也不斷下降，表明系縛點(diǎn)數(shù)量的增加同樣可以分擔(dān)首尾兩端系縛點(diǎn)的受力．從整體受力看，系縛點(diǎn)達(dá)到一定數(shù)量后，網(wǎng)線最大張力趨于穩(wěn)定，此時(shí)進(jìn)一步增加系縛點(diǎn)數(shù)量反而增加了圍網(wǎng)工程的施工難度．因此，圍網(wǎng)網(wǎng)片應(yīng)存在一個(gè)臨界系縛點(diǎn)數(shù)量，本文研究該臨界系縛點(diǎn)數(shù)量為4～5個(gè)，對(duì)于不同圍網(wǎng)網(wǎng)片尺度，需要具體分析．研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用2點(diǎn)系縛時(shí)，由于豎向系縛點(diǎn)之間的間距大于網(wǎng)片的橫向?qū)挾?，整個(gè)網(wǎng)片的最大受力位置出現(xiàn)在了左右側(cè)纜上．隨著兩側(cè)系縛點(diǎn)數(shù)量的增加，當(dāng)系縛點(diǎn)的間距小于網(wǎng)片的橫向?qū)挾?，出現(xiàn)網(wǎng)線張力最大的部位轉(zhuǎn)移至上邊纜兩端，再次證明了對(duì)網(wǎng)片四邊做加勁處理的重要性．

4 結(jié) 論

(1)網(wǎng)片尺寸和系縛方式均對(duì)網(wǎng)片結(jié)構(gòu)單元的受力和變形特性有著顯著的影響．單元網(wǎng)片中的網(wǎng)線最大張力和結(jié)節(jié)最大偏移均隨著網(wǎng)片尺寸的增大而增大，網(wǎng)線最大張力一般出現(xiàn)于網(wǎng)片頂端兩側(cè)系縛點(diǎn)處，結(jié)節(jié)最大偏移出現(xiàn)于單元網(wǎng)片的中上部．實(shí)際應(yīng)用時(shí)，建議強(qiáng)化頂部綱繩的設(shè)計(jì)考慮．

(2)波浪條件下，網(wǎng)片系縛點(diǎn)最大受力出現(xiàn)于頂部第一個(gè)系縛點(diǎn)處，其次為底端系縛點(diǎn)，中間系縛點(diǎn)受力均遠(yuǎn)小于上下兩端系縛點(diǎn)受力．實(shí)際應(yīng)用時(shí)，建議強(qiáng)化頂部和底部系縛點(diǎn)的設(shè)計(jì)考慮．

(3)增加單元網(wǎng)片兩側(cè)系縛點(diǎn)的數(shù)量，有利于降低所有系縛點(diǎn)的受力．但對(duì)單元網(wǎng)片中的網(wǎng)線受力而言，當(dāng)系縛點(diǎn)數(shù)量增至4個(gè)以上時(shí)，網(wǎng)線的最大受力不再顯著下降．因此從這一角度分析，應(yīng)存在一臨界系縛點(diǎn)數(shù)量，本文研究條件下，臨界系縛點(diǎn)數(shù)量為4～5個(gè)．實(shí)際應(yīng)用應(yīng)保證達(dá)到臨界數(shù)量以上，并保留一定的富余，具體數(shù)量需視具體工程而定．

本文研究結(jié)果可為樁柱式圍網(wǎng)養(yǎng)殖工程設(shè)計(jì)和施工提供重要的參考依據(jù)．本文僅針對(duì)一種波浪條件進(jìn)行了研究，有關(guān)波浪要素等其他因素對(duì)單元網(wǎng)片波浪力學(xué)特性的影響將于后期進(jìn)一步研究．

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Study of effect on wave mechanical properties for net panel of pile-column type net enclosure by fixations

GUI Fukun*1, CHEN Tianhua1, ZHAO Yunpeng2, DONG Guohai2

( 1.National Engineering Research Center for Marine Aquaculture, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China；2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

The net enclosure aquaculture (NEA) in shallow water is a new developing ecological aquaculture mode. The pile-column type net enclosure is one of the most typical structures, which is mainly composed of piles and net panels. The net system is the most important part which affects the security of the whole NEA system, therefore the mechanical performance of unit net panels under different wave conditions is investigated using numerical method. The effects of net panel size and fixations on the tension force in twines, offset of nodes and loads at fixing points are studied. The experimental results show that the maximum twine force occurs mainly at the upper two sides of the unit net panel and increases as the size of net panel increases. The maximum node offset appears at the mid-upper part of net panel and also increases with the increase of the size of net panel. Both of the maximum twine force and the maximum node offset decrease as the fixing points number increases. However, they show little change when the number of the fixing points is over four. Regarding of the force at the fixing points, the largest force appears at the upper, then the bottom fixing points, and they are much higher than those at the other fixing points. The force increases with the increase of the size of net panel, and decreases with the increase of the fixing points number.

pile-column type net enclosure aquaculture; unit net panel; numerical simulation; fixations; wave

1000-8608(2017)03-0285-08

2016-07-05；

2017-03-28．

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51239002)；國家海洋局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201505025-2)；舟山市海洋專項(xiàng)(2015C41001).

桂福坤*(1976-)，男，教授，E-mail:gui2237@163.com.

S955.9

A

10.7511/dllgxb201703011