高桩承台桩基波浪受力分析

摘要：以深海桥梁建设中广泛采用的群桩基础为研究对象，发展了淹没承台下桩柱波浪作用力的工程计算方法。分析了承台效应系数随淹没深度、承台尺寸等参数的变化规律，并在时域内计算了波浪对桩柱的作用。承台与波浪的绕射问题采用基于势流理论和特征函数展开的解析法，绕射场内桩柱波浪力的计算采用Morison公式，通过与数值模拟的计算结果进行对比，验证了该方法的正确性。结果表明：不同的承台尺寸会使承台效应系数随浸入深度的变化有所改变。合力将随入射波数的增加而减小，合力点的变化将在特定波数下出现拐点。桩柱上波浪合力的最小值出现于承台迎浪一侧，最大值出现于承台背浪一侧及垂直于入射方向的承台两侧与背浪侧30°角范围内。承台的存在使得桩柱上的波向力出现偏向性并产生相位差，此时的群桩系数可取为0.7。

关键词：淹没承台；桩基础；波浪力；绕射；时域分析

中图分类号：U443.15

文献标志码：A

文章编号：16744764（2014）01006806

跨海大桥作为联系陆路和水上交通的纽带发挥着重要作用，这类海工建筑物多数支撑在桩基结构物上。相比陆上桩基础，水下同类基础面临着更复杂的工作环境。桩基承台组合结构在波浪水流作用下的局部冲刷问题[13]、整体受力问题[4]以及波浪、地震下桩基结构的动力响应问题[5]一直是学者们关注的焦点。而在工程设计和施工中，合理确定波浪作用在桩基结构上的作用力和合力作用点通常是设计的控制参数[6]，对工程的造价、安全起着重要作用。高桩承台结构中，圆形承台应用广泛，它是由大尺度圆截面承台和小尺度桩组合而成的复合受力结构。相关研究[7]表明，在一定的入射波浪条件下，由于大尺度结构的存在而产生的波浪绕射对小尺度杆件所受波浪荷载的影响不可忽略。

刘逸敏，等：高桩承台桩基波浪受力分析

中国一些学者对东海大桥桥梁桩基承台波浪受力问题进行过一定的研究[8]。基于线性势流理论，Garrett得到了水面处固定截断柱体对波浪散射问题的解析表达，并由姚文伟等[9]推广应用到圆形承台桩基的分析中。Geng等[10]利用高阶边界元法在时域内求解了大尺寸截断圆柱的水波绕射势，结合Morison公式算得了杆件上的波浪受力。通过模型试验，Yuan等[11]研究了规则波下截断圆柱惯性力系数和拽力系数（Cd和Cm）随截断长度的关系。Venugopal等[1213]实验分析了纯波及波流共同作用时，Cd和Cm的变化规律。利用分离变量法和特征函数展开法，张海燕等[14]、姜胜超等[15]建立了波浪对截断浮式圆柱和淹没圆柱的绕射问题的解析解，并得到了波浪作用在结构上的波浪荷载。采用相同的方法，赖伟[16]、Zheng等[17]推导了水下截断圆柱和无限长矩形结构对水波的绕射和辐射问题及其水动力特性。王均杰等[18]将深水高桩基础的承台部分理想化为浸入水中的截断圆柱体，建立了地震作用下截断圆柱体动水压等效附加质量和等效附加阻尼的计算方法，并提出了矩形截面主体等效为圆柱体的近似计算方法。目前，对于承台浸入水下的高桩承台基础桩柱波浪力研究较少，这影响到了对水下桩基础的全面认识。因此，有必要开展水下承台桩基结构受力的进一步研究。

本文引入浸没承台绕射模型和Morison公式计算了大尺度水下高桩圆形承台的桩柱波浪受力，重点分析了承台相对尺度、淹没水深等因素对桩柱波浪作用力的影响，并在时域内分析了承台下不同位置处桩柱波浪受力的时间序列，旨在为工程设计提供一定的参考。

1基本原理

1.1淹没水下承台速度势的求解

基于线性势流理论，参照文献[16]给出的求解方法可得到水下淹没圆柱对入射水波的绕射作用的解析表达。入射条件、结构参数和坐标系统见图1。