無掩護狀態(tài)下的游艇碼頭波浪力研究

盧笙

摘 要：游艇碼頭是新興事物，結構設計中外力計算一般參考現(xiàn)行碼頭規(guī)范，本文介紹了相關規(guī)范、手冊中關于游艇碼頭波浪力計算的不同算法，并利用有限元模擬軟件進行了對比分析，可為相關的設計提供一定的技術參考。

關鍵詞：游艇碼頭；水平波浪力；計算；數(shù)值模擬；對比

中圖分類號：U652 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）7-0042-03

近年來，隨著國民經濟的發(fā)展及群眾生活水平的提高，國內游艇業(yè)發(fā)展迅猛，2014年7月，交通部發(fā)布了《游艇碼頭設計規(guī)范》，對游艇碼頭的規(guī)劃、平面布置、結構設計等作出了詳細規(guī)定，但在外力荷載計算上，并未根據(jù)游艇碼頭的特點提出針對性的計算，波浪荷載可根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》進行計算。資料不足時，水平波浪荷載可取2kpa，條文說明中說明了該值參考了英國游艇碼頭行業(yè)準則。

一般情況下游艇碼頭位于防波堤內側，波高通常小于0.5m，受到的波浪力不大，因此波浪力不是主要控制外力，水平波浪荷載取2kpa完全可以滿足設計要求。但仍有部分游艇碼頭位于大型江河兩側，當高速行駛的船只經過時會引起較大的波浪；或是在半封閉的防波堤內部，波浪折射入港內時波浪仍較大，波高較高，此時對波浪力一概以2kpa取值是不盡合理的，應對波浪力著重核算。

1作用于浮體上的波浪力計算方法

在《港口與航道水文規(guī)范》中介紹了波浪作用于直墻式建筑物時，分為立波、遠破波及近破波三種波態(tài)，按照直墻前水深、基床形式、波高、波長的相互關系，來進行判斷及計算。當相對水深d/L=0.1～0.2、波陡H/L≥1/30，對于作用于直墻前的立波波峰力，一般采用森弗羅（Sainflou）簡化法計算，與實際情況相比是偏于安全的。而當相對水深0.2

而對于波浪力作用于水面處上下透空的浮箱時，影響其受力的因素很多，波浪反射較小，基本無法形成立波。同時波浪能量從上下方越過，都一定程度削減了作用于建筑物的水平力。因此計算作用于浮體的波浪力時，如采用森弗羅簡化法或歐拉坐標有限振幅一次近似解，得到的結果均偏大。

《海港工程設計手冊》中介紹了作用于船體上的波壓力的計算方法，當波浪橫向作用于船體上時，有部分波浪越過船體，部分波浪被局部反射，相較于作用于直墻建筑物上被完全反射的立波，船體正面的干涉波高將大于原始波高，又小于遇直墻發(fā)生完全反射的立波波高，計算的結果更符合實際情況。

干涉波高數(shù)值上等于原始波高與局部反射波高之和，可用下式進行計算。

Hr=Kr H，Kr為局部反射系數(shù)：

式中：L—波長（m）；d—水深（m）；T—船體水面以下高度（m）；η—入射波波峰在靜水面上的高度（m）；

干涉波高為：Hd=2Hr+（H-Hr）=H+Hr

一般游艇碼頭是固定于定位樁上的，僅能上下移動，因此算法應滿足工程精度要求。下文通過工程實例，對浮體上所受水平波浪力進行計算，并利用流體力學有限元軟件進行數(shù)學模擬，以驗證上述波浪力計算。

2水平波浪力理論計算與數(shù)學模擬的對比

2.1利用工程實例對水平波浪力進行計算

本次計算利用位于浙江省寧波市某處位于天然避風港內的游艇碼頭，由于避風條件良好，工程未修建防波堤，但由于風區(qū)較寬廣，風成浪傳到游艇碼頭處波高仍較大，經推算游艇碼頭處波高約1m。

本工程建造游艇泊位44個，以及過橋墩、人行便橋等接岸設施。碼頭平面呈梳式布置，均為中小型游艇泊位。碼頭主浮橋通過人行便橋及便橋浮筒等與后方陸域連接。

碼頭主浮橋寬3.0m，長為139m，主浮橋東側垂直布置8個小型游艇泊位，長58m。輔助浮橋長21m，寬1.2m。浮橋除中部梳式浮橋采用內樁式鋼管樁定位外，其余均采用外樁式鋼管樁定位。采用浮箱結構游艇碼頭通過Ф600鋼管樁進行固定，其主浮橋主要采用2400×2000×500mm（長×寬×高）增強塑料浮箱，輔助浮橋采用1100×900×550mm（長×寬×高）增強塑料浮箱，浮箱內部填充聚苯乙烯泡沫，并在浮箱下加配重，主浮橋和輔助橋配重后浮箱干舷高度315～500mm（空載為大值，滿載為小值）。

游艇碼頭主要設計條件如下：

設計高水位：2.90m （高潮累積頻率10%）

設計低水位：-2.20m （低潮累積頻率90%）

波浪力計算參數(shù)：

計算采用的參數(shù)如下：波高H=1m，波長L=20m，周期T=3.5s，水深d=5m，浮箱寬2m，高1m，其中水下0.5m，水上0.5m，。

2.2浮體上受到的水平波浪力計算

（1）根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》，波浪作用于直立墻式建筑物上的立波作用力，按下式計算：

靜水面處波浪壓強：

采用上述公式計算后，根據(jù)計算結果繪制波壓力圖形，需截取作用于浮箱上的波浪力，按浮箱高度對作用力進行簡化為平均壓強，結果為8.67kpa。由于未能考慮波浪繞過浮箱減少的波浪力，計算結果偏大。

（2）根據(jù)《海港水文設計規(guī)范》，為簡化計算，可將干涉波視為完全反射的立波來繪制波壓力圖形，入射波高由原始的H調整為H，即H可取干涉波高Hd的一半。

這樣水深d處的壓強為：

水面處的壓強為：

根據(jù)計算結果繪制波壓力圖形（見圖2），同樣簡化為平均壓強，結果為5.84kpa，由于將浮體視為不動，因此結果也比實際偏大。

2.3利用有限元軟件模擬波浪力計算

利用流體力學軟件Ansys Fluent來建立模擬波浪與浮體相互作用的水槽，利用VOF法對運動界面進行追蹤，RNG k-ε模型來模擬紊流。

建立長125m，寬50m的水槽，水深5m。浮體尺寸為10×2×1m，將浮體置于水槽中央，以避免太過接近入口造成波浪入射及反射疊加而造成波形紊亂。水槽四壁及底部均設置為wall，為減少計算量只在浮體迎波面設置了壓力入口。水槽端部為速度入口造波，設置波浪方向沿x軸正向傳播，波高為1m，共設置50個網格，每個網格0.02m，可較準確的捕捉波浪運動。計算域中網格數(shù)共約68萬個。

采用速度入口造波，波浪參數(shù)為波高1m，波長20m，周期3.5s，波浪穩(wěn)定傳至浮體后，取出浮體迎波面的壓強值進行分析，可看出壓強隨時間波形變化形狀良好，表示網格分割合適。取出迎波面最大壓強為3470.8pa，即3.47kpa。

3不同計算結果對比

綜合理論計算與數(shù)值模擬的結果，計算作用于定位樁上的水平波浪力，可用于驗算定位樁的強度。

不同的計算結果對比如表1：

從對比結果可得出，港航水文規(guī)范計算所得為直立面上的波浪力，波浪全反射，得出的結果最大。而游艇碼頭規(guī)范未考慮港內波浪較大時的狀況，得出水平力最小，與最大水平力之間相差了3倍有余，直接用于工程設計恐有安全隱患。建議當波高大于0.5m時，應另行驗算波浪力。而海港手冊考慮波浪的局部反射，與正面的波高互相干涉，計算結果與數(shù)學模型最為接近，稍大于數(shù)模計算的值也是偏安全合理的。

4結語

不同于游艇碼頭已成熟的歐美市場，國內游艇碼頭的建設正在起步。與國外情況不同，國內已有不少游艇碼頭都處于無掩護狀態(tài)下，簡單按照規(guī)范來計算結構可能會造成結構強度不足或是不必要的浪費。本文結合工程實例，通過對國內不同規(guī)范和手冊的研究，并與有限元模擬軟件計算結果互相對比、印證，提出了水平波浪力取值的建議，對其他處于無掩護狀態(tài)下的游艇碼頭波浪計算提供了參考。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國交通運輸部.游艇碼頭設計規(guī)范.JTS165-7-2014[S].

[2] 中華人民共和國交通運輸部.港口與航道水文規(guī)范.JTS 145-2015[S].

[3] A Code of Practice for the Design Construction and Operation of Coastal and Inland Marinas and Yacht Harbours.British.2013[S].

[4]交通部第一航務工程勘察設計院.海港工程設計手冊，中冊[S].人民交通出版社.