[发明专利]圆柱型构筑物的涌潮作用力计算方法

说明书

本发明涉及流体力学领域。目的是提供一种计算圆柱型构筑物上涌潮作用力的方法。该方法可根据现场极易获取的潮前水深、潮前流速、涌潮高度等基本参数，利用理论推导与室内试验得到的公式计算涌潮冲击圆柱型构筑物时的作用力。技术方案是：圆柱型构筑物的涌潮作用力计算方法，包括以下步骤：步骤一、获取相关数据：通过现场观测或试验测量的方法，获取某一涌潮的潮前水深、潮前流速、涌潮高度H、圆柱型构筑物直径D；步骤二、计算涌潮传播速度；步骤三、计算涌潮冲击力；步骤四、计算涌潮静水压差力；步骤五、计算涌潮绕流力；步骤六、计算涌潮作用力。

技术领域

本发明涉及流体力学领域，尤其涉及涌潮作用力的计算方法。

背景技术

涌潮是水位骤然上升的涨潮波前峰，是一定条件下潮波非线性畸变的结果。涌潮形成后，水流特性发生极大的改变。涌潮到达前后，水位骤然上涨2～3m，水流急速从落潮状态转为涨潮状态，并迅速达到极值，极值流速达6～10m/s，实测最大测点流速12m/s，比一般水流大一个量级。

涌潮对涉水建筑物的威胁很大，其作用力是桥梁、码头等基础工程设计的控制性因素。1953年海宁盐官海塘塘顶一头重1.5t的“镇海铁牛”被涌潮冲离原地十余米；石塘顶用铁锭浇连的条石，尽管每块重约400kg且呈三五相连，仍受涌潮的顶托翻越1.5m高的土埝，抛至海塘后的农田中；钱江四桥施工过程中搭设的栈桥也曾被汹涌的涌潮破坏。因此，为了确保涉水建筑物的施工与运行安全，工程界始终关心涌潮对涉水建筑物的作用以及结构响应问题。

圆柱桩是桥墩、码头等工程建筑下部结构常见的形状类型，钱塘江河口已建的复兴大桥、江东大桥、嘉绍大桥等桥墩大多采用圆柱桩。影响构筑物上涌潮作用力的因素包括涌潮高度、潮前水深、涌潮坡度、建筑物形状等。至今人们对构筑物上的涌潮作用机理认识不够清楚，以致还不能用严密的理论方法对涌潮作用力进行分析计算。现阶段针对特定型式的构筑物进行物理模型试验是取得涌潮作用力最为直接可靠的方法。由于缺乏系统的研究与总结，尚未形成具有普适意义的涌潮作用力计算公式或方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种计算圆柱型构筑物上涌潮作用力的方法。该方法可根据现场极易获取的潮前水深、潮前流速、涌潮高度等基本参数，利用理论推导与室内试验得到的公式计算涌潮冲击圆柱型构筑物时的作用力。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

圆柱型构筑物的涌潮作用力计算方法，包括以下步骤：

步骤一、获取相关数据

通过现场观测或试验测量的方法，获取某一涌潮的潮前水深h₀、潮前流速V₀、涌潮高度H、圆柱型构筑物直径D；

步骤二、计算涌潮传播速度

将步骤一获取的相关数据，代入涌潮传播速度理论公式(1)，计算出涌潮传播速度c；

h₁＝h₀+H (2)

式中：c为涌潮传播速度，V₀为潮前流速，h₀为潮前水深，h₁为涌潮过后的水深，H为涌潮高度；

步骤三、计算涌潮冲击力

借鉴水流冲击力计算公式，利用室内试验结果率定冲击系数，推导出涌潮冲击力的计算公式(3)；将步骤二获取的涌潮传播速度数据，代入涌潮冲击力的计算公式(3)，计算出涌潮冲击力F_I：

λ＝0.058H+0.05 (4)