技术领域
[0001] 本
发明属于防波结构技术领域，涉及一种外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤，具体的说就是一种能够通过多孔石料填充层和圆筒形格栅吸收
海水部分波浪
力，从而使其所包围范围内结构物免受过大波浪力的防波结构。
背景技术
[0002] 近些年来在海洋油气、海洋运输、海洋渔业、滨海旅游以及海洋新
能源等产业的发展，越来越多的海上建筑应运而生，比如海上钻井平台、人工岛、大型跨海大桥等等，这些海上构筑物为经济发展和社会的进步起着举足轻重的作用，但是由于所处环境的特殊性，这类构筑物相比于陆上建筑更易受到破坏，各种海洋灾害，如灾害性海浪、
风暴潮甚至海啸等对海上构筑物来说都是巨大的考验，如果防范措施不合理，一旦遭到破坏，若发生在海洋开采领域可能造成
原油泄漏，破坏海洋
生态系统，甚至发生爆炸造成更严重的生命财产安全，如若发生在海上交通领域，后果的严重性更是难以估量的，因此认识和掌握降低海上
建筑物所受波浪力的技术十分必要。
[0003] 减小或者防治这些海洋
自然灾害的有效途径之一就是通过相关的技术设备，在海上或者海岸修筑配套的海洋工程设施。其中开孔结构由于具有良好的减小波浪反射和自身所受波浪力的特性，在港口、海岸和近海工程中被逐渐推广应用，而带多孔填充夹层的开孔结构作为传统开孔结构的一种扩展，尚未见国内外学者研究与应用。因此，本发明首次提出一种外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤，这种防波堤将开孔结构和带多孔填充夹层开孔结构相结合，通过调整开孔系数和填充系数，集二者优点于一体，并且采用一种新兴的数值模拟方法比例边界有限元方法证明了这种防波结构具有较好的防波性能。
发明内容
[0004] 针对
现有技术存在的问题，本发明提供一种外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤，具体的说就是一种能够借助外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤耗散
海水波浪
能量，从而达到保护其中结构物作用的防波结构。
[0005] 首次提出一种外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤。这种防波堤将开孔结构和带多孔填充夹层开孔结构相结合，通过调整开孔系数和填充系数，集二者优点于一体，比例边界有限元数值结果证明了其降低其保护范围内结构物所受波浪力的有效性。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0007] 一种外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤，包括内侧
钢筋网1、多孔石料填充层2、外侧
钢筋网3、圆筒形格栅4、钢管横梁5。所述的多孔石料填充层2位于圆筒形格栅4内部，由内侧
钢筋网1、外侧钢筋网3夹持固定，内侧钢筋网1、外侧钢筋网3、圆筒形格栅4在任意水平截面为同心圆环。所述多孔石料填充层2的
空隙率和线性阻力系数是均匀的，所述圆筒形格栅4开孔系数是均匀的，所述内侧钢筋网1、外侧钢筋网3仅起到对两者之间多孔石料填充层的夹持固定作用，其对防波结构空隙率和线性阻力系数的影响可忽略不计。内侧钢筋网1、外侧钢筋网3与海底7之间固定连接，所述外接圆筒形格栅4的圆环柱形防波结构顶部高程大于海平面6高程，所述外接圆筒形格栅4、内侧钢筋网1以及外侧钢筋网3之间通过多根钢管横梁5
焊接相连。
[0008] 上述外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤通过多孔石料填充层和圆筒形格栅吸收海水部分波浪力，从而达到避免其所包围范围内结构物承受过大波浪力的防波结构。设圆筒形格栅半径为b，外侧钢筋网半径为c，内侧钢筋网半径为a，多孔石料填充层空隙率为ε，线性阻力系数为f；圆筒形格栅开孔系数为G，海水深度为H，防波结构直立且底端与海底固定连接。计算过程中，还将用到以下参数：液体
密度ρ，重力
加速度g以及惯性系数λ。
[0009] 系统所受波浪力的计算方法包括以下步骤：
[0010] 第一步，将整个流域划分为三个计算子域，即内侧钢筋网1所包围的区域ΩΙ，内侧钢筋网1和外侧钢筋网3所包围的区域ΩΙΙ，外侧钢筋网3和圆筒形格栅4之间的圆环柱形区域ΩΙΙΙ，以及圆筒形格栅4以外的无限域ΩΙV。
[0011] 第二步，对于无旋无粘的理想
流体，每个子域中流体的速度势函数Φ(x,y,z,t)，可采用分离变量法分解为：
[0012]
[0013] 上式中 ω为
角频率，满足方程ω2＝gktanh(kH)，k为
波数，i为虚数单位， 满足三维Laplace方程，化简后得到二维Helmholtz方程：
[0014]
[0015] 设 在边界上的法向导数为 表示法向
波速，采用变分原理并引入比例边界有限元(SBFEM)
坐标系，可得SBFEM基本控制方程及内、外边界条件表达式：
[0016]
[0017]
[0018]
[0019] 式中， 为采用比例边界有限元坐标表示的关于 的
节点值，ζ＝k0bξ，s，ξ分别为比例边界有限元坐标中的环向坐标和径向坐标，ξ0为相似中心处的径向坐标，ξ1为边界上的径向坐标，N为拉格朗日插值形函数，E0、E2、Fs为系数矩阵， 分别为对ζ的二阶、一阶导数。
[0020] 第三步，引入边界条件求解上述比例边界有限元控制方程。设分别表示域ΩΙ，ΩΙΙ、ΩΙΙΙ和ΩΙV中的速度势，各子域之间应满足耦合边界条件：内侧钢筋网界面处 外侧钢筋网界面处
圆筒形格栅界面处 另
外，ΩΙV还需满足无穷远处的Sommerfeld边界条件，即：
[0021]
[0022] 其中， 和 为速度势的法向导数，r为节点与比例中心之间的距离。
[0023] 第四步，待 和 求出后，即可求出总场速度势Φ，进而即可求出波面高度η和动态压力p， p＝-ρΦ,t；结构域所受总力按下式计算：
其中括号内第一～三项分别为内侧钢筋
网(填充内壁)处、外侧钢筋网(填充外壁)，圆筒形格栅(外壁)处结构单位长度上所受波浪力，R表示计算界面距离中
心轴的距离。
[0024] 本发明与现有技术相比有以下优点：1)防波效果显著；2)开孔格栅和多孔石料层相互独立，设计简单，便于施工；3)圆环柱形防波结构层采用石料填充，材料来源广、经济。
附图说明
[0025] 图1是外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤示意图；
[0026] 图2是模型简化图。
[0027] 图3是结构不同部位处所受波浪力随多孔石料填充层不同空隙率ε的变化曲线图。
[0028] 图4是多孔石料填充层不同空隙率ε情况下，结构所受总波浪力随无量纲波数kb的变化曲线图。
[0029] 图5是结构不同部位处所受波浪力随多孔石料填充层不同线性阻力系数f的变化曲线图。
[0030] 图6是结构不同部位处所受波浪力随圆筒形格栅开孔系数G的关系变化曲线图。
[0031] 图7、8分别是圆筒形格栅开孔系数G＝0.1和G＝1.0时，结构所在区域一定范围内的波幅示意图。
[0032] 图9、10分别是不同外侧钢筋网半径c＝6和c＝8时，结构所在区域一定范围内的波幅示意图。
[0033] 图11、12分别是不同内侧钢筋网半径a＝2和a＝4时，结构所在区域一定范围内的波幅示意图。
[0034] 图中：1为内侧钢筋网；2为多孔石料填充层；3为外侧钢筋网；4为圆筒形格栅；5为钢管横梁，6为海平面；7为海底。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图和模拟实例对本发明的应用原理作进一步描述。应当理解，此处所描述的模拟实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0036] 参照附图1-12，本发明公开了一种外接圆筒形格栅的圆环柱形防波结构。包括内侧钢筋网1、多孔石料填充层2、外侧钢筋网3、圆筒形格栅4，钢管横梁5。所述的多孔石料填充层2位于圆筒形格栅4内部，由内侧钢筋网1、外侧钢筋网3夹持固定，内侧钢筋网1、外侧钢筋网3、圆筒形格栅4在任意水平截面为同心圆环。所述多孔石料填充层2的空隙率和线性阻力系数是均匀的，所述圆筒形格栅4开孔系数是均匀的，所述内侧钢筋网1、外侧钢筋网3仅起到对两者之间多孔石料填充层的夹持固定作用，其对防波结构空隙率和线性阻力系数的影响可忽略不计。内侧钢筋网1、外侧钢筋网3与海底7之间固定连接，所述外接圆筒形格栅4的圆环柱形防波结构顶部高程大于海平面6高程，所述外接圆筒形格栅4、内侧钢筋网1以及外侧钢筋网3之间通过多根钢管横梁5焊接相连。
[0037] 本发明中，相关计算遵从线性势流理论，所采用数值计算方法是比例边界有限单元法。
[0038] 将整个流域划分为三个计算子域，即内侧钢筋网1和内部结构物4壁面所包围的区域ΩΙ，内侧钢筋网1和外侧钢筋网3所包围的区域ΩΙΙ，外侧钢筋网3以外的无限域ΩΙΙΙ。
[0039] 对于无旋无粘的理想流体，每个子域中流体的速度势函数Φ(x,y,z,t)，可采用分离变量法分解为：
[0040]
[0041] 上式中 ω为角频率，k为波数，i为虚数单位， 满足三维Laplace方程化简后得到二维Helmholtz方程：
[0042]
[0043] 设 在边界上的法向导数为 表示法向波速，采用变分原理并引入比例边界有限元(SBFEM)坐标系，可得SBFEM基本方程及内、外边界条件表达式：
[0044]
[0045]
[0046]
[0047] 引入边界条件求解上述解比例边界有限元控制方程，即可求出 进而可求得总场速度势Φ，液体速度、波面高度和动态压力分别由以下表达式确定：
p＝-ρΦ ,t ；结构域所受x轴向总力按下式计算：
其中括号内第一～三项分别为内侧钢筋
网处、外侧钢筋网处、圆筒形格栅处结构单位长度上受到的力。
[0048] 为说明系统的水动力特性，将给出相关算例进行相关表述；将内部结构物简化为一个与外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤同轴的柱形结构，简称内柱。在所涉及到的算例中，b＝10m，H＝15m。图中，k皆代表波数，η为液面高度(以z＝0为基准)，|Fx|波浪力绝对值。
[0049] 空隙率ε和线性阻力系数f与多孔石料填充层密实度相关，填充越密实空隙率ε越小，线性阻力系数f越大，反之空隙率ε越大，线性阻力系数f越小。
[0050] 参照附图3可以看出圆筒形格栅所受波浪力几乎不受多孔石料填充层空隙率ε影响。随着空隙率ε的增大，内侧钢筋网界面所受波浪力先是大幅增大而后趋于平衡，外侧钢筋网界面波浪力和系统总波浪力均随空隙率ε的增大二逐渐减小，并且系统总力显小幅度大于外侧钢筋网面所受波浪力，这说明，随着多孔石料填充层密实程度的降低，由防波结构吸收的
波浪能量逐渐减少，而圆筒形格栅的消能特性基本不受石料填充层填充系数的影响，因此，多孔石料填充层填充系数可以独立于外部圆柱形格栅开孔系数单独设计，并且多孔石料填充层填充越密实吸收的波浪能量越多，但是系统受总波浪力也越大，所以为了提高防波结构的防波能力应适当增加填充层的密实度，但也要兼顾系统的整体
稳定性。
[0051] 参照附图4可以看出随着空隙率ε的增大系统一阶和二阶共振波数均逐渐减小，即系统发生共振的频率逐渐提前，并且波浪力峰值逐渐增大，这再次印证了参照附图3的结论，但是，当外界激励相对波数较小时，空隙率ε越大系统总波浪力越小，所以圆环柱形防波结构的设计还要考虑所处环境可能出现的外界激励波数范围。
[0052] 参照附图5可以看出圆筒形格栅所受波浪力随着多孔石料填充层线性阻尼系数f的增大略有降低，但影响较小。随着线性阻尼系数f的增大，系统所受总波浪力先是减小后平稳增加，而内、外侧钢筋网面所受波浪力均表现出增加的趋势，且外侧和内侧钢筋网界面所受波浪力的差值逐渐增大，这说明随着多孔石料填充层密实程度的增加(线性阻尼系数f的增加)由多孔石料填充层消耗的波浪能量越来越多，因此，再一次说明了增加填充层的密实度可以提高防波结构的防波能力，但同时也增加了结构本身所承受的波浪力，所以防波结构填充层的设计要兼顾结构本身的稳定性。
[0053] 参照附图6，可以随着圆筒形格栅开孔系数G的增大，系统总波浪力先是急剧减小而后趋于平衡，而圆筒形格栅所受波浪力逐渐减小直至趋近于零，而外侧、内侧钢筋网界面所受波浪力均先急剧增大后趋于不变，且二者差值也呈现相似的规律，这说明随着圆筒形格栅开孔系数G的增大，由多孔石料填充层消耗的波浪能量越来越多最后趋于一个定值，而由圆筒形格栅所分担的波浪能量则逐渐减小，直至趋近于零。因此，本发明所提供外接圆筒形格栅的圆环柱形防波结构的设计应选择适当的格栅开孔系数，以合理分配结构各部位所消耗波浪能量。
[0054] 参照附图7、8可以直观地看出当圆筒形格栅开孔系数较小时(G＝0.1)，圆筒形格栅和外侧钢筋网所围成的环形区域波幅急剧变化，而外侧钢筋网以内的区域波幅基本无变化，这说明较小开孔系数G能使圆筒形格栅消耗大部分的波浪能量，当圆筒形格栅开孔系数稍大时(G＝1.0)，圆筒形格栅和内侧钢筋网所围成的环形区域波幅急剧变化，内侧钢筋网以内的区域波幅趋于平缓，这说明适当的开孔系数G能使圆筒形格栅和多孔石料填充层合理分配波浪能量消耗，使防波结构更加稳定的发挥作用。
[0055] 参照附图9-12可以看出多孔石料填充层的半径和厚度(c-a)对防波堤内部波浪高度影响明显，较大的多孔石料填充层厚度时，防波结构中心
位置的波幅明显低于填充层较薄时的情况，同时，较大的多孔石料填充层半径时，防波结构中心位置的波幅明显低于填充层半径较小时的情况，因此，本发明所提供的带圆筒形格栅的圆环柱形防波结构的设计应考虑多孔石料填充层的厚度和半径。
