【摘 要】
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大量的海上观测(察)表明,畸形波是一种广泛存在(近海直至各大洋)且具有突发性和能量集中性的异常大波浪,其存在的广泛性、非小概率性、突发性、超常破坏性,给海洋工程结构及航行船舶安全带来的危害性是显而易见的。现有相关规范的设计标准,通常采用不同重现期的H1%大波作为设计波高,近乎无视畸形波的存在,这促使工程及学术界对畸形波展开了广泛的研究。本文采用物理模型试验方法,以典型且具有工程背景的两种浮式结构—
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大量的海上观测(察)表明,畸形波是一种广泛存在(近海直至各大洋)且具有突发性和能量集中性的异常大波浪,其存在的广泛性、非小概率性、突发性、超常破坏性,给海洋工程结构及航行船舶安全带来的危害性是显而易见的。现有相关规范的设计标准,通常采用不同重现期的H1%大波作为设计波高,近乎无视畸形波的存在,这促使工程及学术界对畸形波展开了广泛的研究。本文采用物理模型试验方法,以典型且具有工程背景的两种浮式结构—圆角方柱形观测平台和二维悬浮隧道为研究对象,开展含有畸形波波列作用下两种典型浮体动力响应试验研究,探讨畸形波对系泊浮体动力响应的影响及其随畸形波参数α1、相对波高、相对周期等因素的变化规律,并与同谱不含畸形波的不规则波作用结果进行比较,得到以下主要结论:对于圆角方柱形观测平台系统:(1)畸形波会诱发系泊系统的低频振荡,使得含有畸形波的波列作用时,系统的低频响应由二阶漂移力引起的低频振荡和畸形波诱发的低频振荡叠加。(2)畸形波作用于系泊系统后,影响动力响应的时间不限于畸形波作用时段,可持续数十个波浪周期,并随畸形波参数α1的增大而加长。(3)含有畸形波波列作用时,系泊浮体时域和频域响应均发生显著的动力放大效应。在时域内,放大效应主要体现在动力响应的极值(最大值)上;在频域内,放大效应主要体现在纵荡和缆绳张力的低频响应上。(4)与直接的时域描述比较,时频谱和广义能量谱能更敏锐、更直观地捕捉畸形波作用时系统的动力响应特征,并可间接定量描述畸形波对系泊系统动力响应影响的持续时间。(5)畸形波对系统动力响应影响时间随畸形波参数α1增大而显著增大。在α1=2.0~2.8范围内,畸形波对纵荡持续影响时间在8~45TP范围内变化,对缆绳张力持续影响时间在10~30TP范围内变化,但对垂荡和纵摇响应持续影响时间限于畸形波作用前后“短时段”(2~5TP)。(6)畸形波作用下动力响应出现了显著瞬态效应,并与α1显著相关。纵荡和缆绳张力响应瞬态效应高于垂荡和纵摇的瞬态效应。对于二维悬浮隧道系统:(1)对于悬浮隧道缆绳沿程约束,双斜缆方式优于单斜缆+垂缆方式。(2)悬浮隧道固有频率易与波浪频率接近或重合。对于悬浮隧道类结构,存在一个“恰当的”淹没深度:在相对波高一定的前提下,悬浮隧道设置到该淹没深度时,系统动力响应随相对周期变化始终较为稳定。试验获得了Hs/d0=0.2条件下,“恰当的”相对淹没深度为d0/LP≥0.15;或采用管体中心位置的KC数来判断“恰当的”淹没深度:同样条件下,“恰当的”相对淹没深度对应的KC数为KC≤0.8。(3)同样淹没深度条件下,畸形波会使得悬浮隧道产生比同谱不规则波更大的水平加速度。在Hs/d0=0.1、α1=2.0的试验条件下,畸形波作用下产生的最大水平加速度是同谱不规则波的1.8倍左右。(4)畸形波作用下,二维悬浮隧道存在动力放大效应,该效应与畸形波波高显著相关。(5)畸形波对淹没浮体动力响应影响的持续时间远小于出水浮体,且随α1的增大增长不显著。在α1=2.0~2.6条件下,畸形波对二维悬浮隧道动力响应影响持续时间为2~5TP。(6)畸形波作用下,二维悬浮隧道动力响应时频谱和广义能量谱主要参数均显著大于同谱不规则波的作用结果,且随α1的增大呈显著非线性增大。(7)畸形波对悬浮隧道的作用,特别是畸形波参数α1≥2.5时接近“冲击”,表现在管体纵荡、垂荡、纵摇和缆绳张力响应时频谱均出现显著的“能量”集中现象,时频谱最大值显著大于同谱不规则波的作用结果,且能量集中程度随α1的增大而增大,同时各运动响应时频谱出现一定的高频能量成分。
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