破碎波冲击作用下沉箱式防波堤振动-摇摆运动分析

　　振动与冲击破碎波冲击作用下沉箱式防波堤振动摇摆运动分析王兀战王强天津大学建筑工程学院，天津300072解放军海军后勤学院。天津300456运动过程进行数值摸拟。研究了摇摆运动对防波堤位移转角滑移力和倾覆力距的影响。结果明当倾覆力距大于防波堤的稳定力矩时，防波堤并不定发生倾倒破坏；只有当防波堤摇摆运动转角大于倾倒的临界角时，防波堤才会发生倾倒破坏。而且摇摆运动可有效减小防波堤的滑移力和倾覆力矩。故在极限设计破碎波浪条件下可考虑允许防波堤出现摇摆运动，以实现更为经济的结构设计。

　　0引言沉箱式防波堤是经常使用的种结构型式，它具有稳定性好节省材料适用于大水深等特点。此外，沉箱式结构易于开发成各种功能的新型防波堤结构，如具有消波功能的开孔沉箱式防波堤，具有环境保护功能的海水交换型阳波堤，具有发电功能的波能转换防波堤人观光的亲水性防波堤等似，沉箱防波堤的动力分析引起人们的普遍重视。

　　在破碎波冲击作用下，沉箱式防波堤可能的运动形式包括种弹性振动滑移运动和摇摆运动。

　　根据大比尺模型试炝给出了破碎波冲山力作，程模型。采，用弹簧阻汜器支承的刚体运动模型对防波堤的弹性振动动力响应进行了分析，防波堤地基动力模型只考虑了弹性振动，没有考虑防波堤的滑移和摇摆记动4也付冲心荷4戈作用1沉箱式防波堤的响应进厅研究，给出滑移量估算的简化方法，何没有考虑防波堤的摇摆运动。丁心，等应⑴非线性模型付沉钔式防波堤的动力响应进行了计算，研究了防波堤的动力响应对有效波浪力使沉箱滑移的力的影响，给出了防波堤滑移量者2也对破碎波冲击作用下防波堤的动力响应特，性进丁研光，建了防波堤振动滑移运动分析模型，可对防波堤振动滑移运动过程进行模拟，给出滑移但也没有考虑防波堤的摇摆运动。

　　在破碎波冲击作用下，当滑移力大于防波堤与地基之间的摩擦力时，防波堤必然出现滑移运动。在设计中允许防波堤出现定的滑移位移，这是目前许多国家正在研究探讨的问。但是，当倾覆力矩大于防波堤重力的稳定力矩时目前定义为倾覆破坏，防波堤并不定倾倒，只是产生摇摆运动。只有当摇摆角大于防波堤倾倒的临界角时，防波堤才会出现倾倒破坏。而且摇摆记动转可恢复其原平衡位置，但滑移位移+能恢，从这种意义讲，研究允许防波堤出现摇摆运动的设计方法具有更实际的意义。本文在前面工作的坫础上进步建立沉箱式防波堤弹性振动摇摆运动分析模型，可对破碎波冲击作用下防波堤的弹性振动摇摆运动过枰进行数值模拟。

　　并研究了摇摆运动对防波堤位移转角滑移力和倾覆力矩的影响。为在极限设计破碎波浪条件下考虑允许防波堤出现摇摆运动的设计方法提供理论基础= 1沉箱弹性振动摇摆运动分析模型前在沉筘式防波堤动力分析中。可将沉箱肴作在弹性地基上作水平转角运动的刚体地基用弹簧阻尼器系统代替。本文采用的沉箱式防波堤弹性振动摇摆运动分析模型1.册为防波堤质量，其中包括附加水体质量；为防波堤对重心的转动惯量；阶为沉箱振动时的附加土体质量。和；分别为防波堤附加土体质量的水平运动位移；9为防波堤的运动转角，和〃分别为地基的等效水平弹性常数和阻尼系数；知和，分别为地基的等效转角弹性常数和阻尼系数。场版分别为波浪合力作用高度和防波堤重心高度。5为防波堤的宽度。户，为破碎波冲击力，实验室实验及现场观测资料231明，作用于沉箱上的破碎波冲击力时程可用冲击荷载和接下来托力对防波堤底部形心的力矩为批在破碎波冲击作用下沉箱发生运动。在动力分析中。防波堤受到的动力矩风，倾覆力矩由波浪力矩和防波堤惯性力矩两部分组成。防波堤的稳定力矩为成十本为防波堤蜇心到前趾穴，或后趾的距离9=出仙52他。为防波堤倾倒的临界角。

　　假设，当作用于沉箱上的动力矩小于防波堤的重力稳定力矩时。沉箱连，附加七体质量在地基上作弹性水转角耦合振动当作用于沉箱上的动力矩人于防波堤的重力稳定力矩时，沉箱将部分脱离地基，绕前趾，或后趾作摇摆运动。

　　2沉箱的弹性振动摇摆运动方程4应阶3，1方法求解方程2.可得系统的位移速度加，度响应时由式34可计算出防波堤的滑移力和倾覆力矩，当作7沉箱上的动力识大于防波堤的诳力稳定力矩时，沉箱将绕后趾或前趾，作摇摆运动。沉箱绕后趾的摇摆运动以呈为沉箱绕前趾，的摇摆运动方程为其中，乃为防波堤对后趾7或前趾及的转动惯量。

　　摇摆运动状态。防波设的滑移力为j.Q=PUHW2mAsS.if7摇摆运动状态5.防波堤的倾覆力矩为在式78中，当防波坭绕及点摇摆运动时取号，当防波堤绕，点摇摆运动时取+号。应用阶心1财1方法求解方程56.可得系统的位移速度加速度响应时程。由于78可计算出防波堤的滑移力和倾覆力矩。

　　根据前述沉箱式防波堤弹性振动摇摆运动分析校型假设。当作用于沉箱上的动矩小丁。防波堤的重力稳定力矩时，沉箱连同附加土体质量在地基上作弹性水平转角耦合振动，其运动方程为其中。从0足波浪力矩包牯破碎波冲击力和波浪浮托力产生的力矩。

　　弹性振动状态下。作用于防波堤。的用干滑移稳定性验算的力滑移力为弹性振动状态下，作用于防波堤上的动力矩印3破碎波冲击力，程摇摆运动结束后。系统将再次进入弹性状态。其运动仍由方程2控制。

　　意礼以此为基本结构系统对防波堤进行运动分析。

　　钢筋浞凝土内填砂和地基1的质1密度分别为重心的转动惯量1=3100.0几地基动十附加质量讲，=16.，1化。附加水质量和地基动土附加质量参照文献2的方法确定。

　　根据0，141的建议，地基水平和转动弹簧常数分别为长度。，1为地基水个反力系数，般在120001阶13之本文取。1.=设地基水平和转加沮尼比515.则地基的水平和转角阻尼系数分别为c iii.sm破碎波冲击力时程3.波浪力矩0包括破碎波冲击力和波浪浮托力产生的力矩。为Mt=HrPt+Mut其中，锾，为波浪浮托力产生的力矩。

　　假设波浪浮托力的变化时程与水平冲击力相同。

　　其幅值采用文献1给出的山1方法1算。人介力矩风=265以1.对防波堤后趾1点的力矩定。义防波堤的位移动力放大系数转角动力放人系数兄。滑移力动力放大系数办和倾覆力矩动几七为破碎波冲山力幅伉。

　　应用前述算模型对沉箱在破碎波作用下的弹性振动摇摆运动进行了计算。47针对基本结构系统阶自振周期7=，分别给出了弹性振动模甩和弹性振动摇摆运动校甩不。沉箱的位移转角滑移力和倾覆力矩的时程响应曲线。

　　阶内振周期乃分别给出了弹性振动校型和弹性振动摇摆运动模型下，沉箱的位移转角滑移力和倾覆力矩的时程响应曲线。

　　农1给出驻本结构系统和增加地基刚度结构系统的破碎波冲击力，沉箱的位移转角滑移力和倾覆力矩的动力响应幅值。

　　力放大系数兄，分别为运动模型水平位移撕结构1结构2转角位移度结构1结构2滑移力砂，0结构1结构2倾覆力矩咖m m结构1结构2刚性结构弹性振动振动摇摆运动注中结构1为基本结构系统结构2为增加地基刚度结构系统。

　　4结语木文建立沉钔式防波堤弹性振动摇摆运动分析模甩，广对破碎波冲山作用1防波堤的弹性振动摇摆运动过程进行数值模拟，给出防波堤位移转角泔移力和倾漫力矩的响应时利并提出了1极限设计破碎波浪条件下。允许防波堤出现摇摆运动的结构设计新概念，⑴沉筘式防波堤的动力特性对滑移力和倾覆力倾覆乃矩时程曲线。=0.34矩有较大影响较大。沉箱地基系统的自振周期与破碎波冲击力周期接近时，有效滑移力幅值可达破碎冲击力幅值的1.44倍，倾覆力矩幅值可达波浪力矩幅值冲击力周期之比值约大于2.0左右时。滑移力和倾覆力矩幅值会小于破碎波冲击力幅值和波浪力矩幅值=般沉箱式防波堤地姑系统的自振周期远大于破碎波冲击力振荡周期或冲击力持续时间。所以有效滑移力和倾覆力矩幅值般会小于破碎波冲击力幅仿和期与破碎波冲击力周期之比值的变化情况。

　　沉箱的摇摆运动会使沉箱的摇摆角显著增加，但摇摆运动会使沉箱的水平位移滑移力和倾覆力矩降低，并且使倾范力矩不会人干沉箱1重的稳记力矩。般情况下摇摆角远小于沉箱倾倒的临界角。如木文算例中，两结构系统的设人摇摆角分别为7度和0.3度。沉箱倾倒的临界角为47度。

　　布破碎波冲击作用下。当倾覆力矩大于防波堤重力的稳定力矩时目前定义为倾覆破坏。防波堤不定倾例。只是产生摇摆运动1只打当摇摆角大于防波堤倾倒的临界角时。防波堤才会出现倾倒破坏。

　　而巨摇摆运动转角可恢父其似卞衡位置。因此。布防波堤设计中可考虑允许出现摇摆运动。以达到史为经济的结构设计。

　　王元战。破碎波冲击作用下直立式防波堤动力响应特性分王元战迟丽取龚薇。直立防波堤振动滑移运动分析王元战龚薇。防波堤稳定性的滑移控制。振动工程学