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水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 涌潮荷载下桩式丁坝的动力响应 赵 晖 蔡袁强 徐长节 浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室 浙江杭州 摘要 通过势流理论研究了简谐荷载作用下的无黏性流 圆桩 土体系统的动力响应 采用动力 弹性地 基梁模型模拟桩与土的相互作用 考虑无黏性流体和桩体的耦合作用 将圆桩散射的特征函数展开 由解析法给出 了埋置在土中的圆桩在无黏性流体中的稳态动力响应 最后将实测的钱塘江涌潮冲击荷载用傅立叶变换展开成 正余弦荷载 考虑由流体黏性引起的速度力和黏性阻尼的 公式的速度力分项 研究分析了涌潮作用下桩 式丁坝的受力特性及桩身振动响应 计算结果表明 埋置桩的自振频率较高 而涌潮荷载中高频分量相对较小 所 以涌潮下桩式丁坝不易发生共振 工程中可采用静力方法进行设计 关键词 涌潮 流体 桩土作用 共振 特征函数展开 解析法 傅立叶级数 中图分类号 文献标识码 研究背景 在强涌潮河段 丁坝可以挑流促淤 保滩护岸 但传统堆石丁坝最大的缺点是容易被涌潮冲毁 因 此 工程设计人员提出了一种可埋置的桩式丁坝结构 桩式丁坝的基础很深 不易损毁 避免了频繁抢修 的弊端 作为新型水工结构 桩式丁坝在涌潮压力下的动力响应是个亟待研究的课题 周叮 利用广义三角级数的正交完备性 求得了悬臂梁与液体耦合振动的振型函数和频率方程的 精确解析解 张绍文等 研究了水中两类悬臂结构的弯曲自由振动与水动力特性关系 指出扰动水压 力对结构的作用相当于在柱上附加分布质量 并给出了附加质量的确切算式 但这些工作还局限于研 究悬臂梁的水动力学特性 等 采用动力 曲线和 曲线模拟了桩土相互作用 用有限 元法计算了波浪荷载下群桩的动力响应 但是忽略了流体和桩的耦合作用 刘笑海等 试验研究了埋 置刚性桩上的波压力 但亦没有考虑桩和流体的耦合作用 涌潮对丁坝的作用机理目前还不明确 研究表明涌潮的波长较大 波幅相对波长较小 而且实测 涌潮压力竖向分布和线性波波压力竖向分布 十分类似 可以采用线性波理论模拟涌潮 从能量的角 度看 涌潮对桩式丁坝的作用力为势流分量和黏性引起的涡流分量的结合 这点和计算小直径桩柱体的 波浪力公式即 公式是一致的 但若直接用 公式计算桩水耦合振动 计算量大 若考虑 桩土系统的桩水耦合振动 则计算量更大 本文通过势流理论求解流体压力的势流分量 采用特征函数展开方法和 地基土模型 利用泥面处桩身连续条件 直接获得无黏性流体 桩 土系统的稳态动力响应的解析解 赵晖等 对 钱塘江涌潮压力进行了现场观测 涌潮冲击瞬间后就翻跃丁坝 此时的丁坝所受外荷载为丁坝两侧的压 力差 本文将文献 中计算模拟的钱塘江涌潮压力展开成傅立叶级数 基于稳态简谐荷载下的无 黏性流体 桩 土体系的动力响应的解析解 求得了涌潮荷载下忽略流体黏性的埋置桩的动力响应 然 收稿日期 作者简介 赵晖 男 江苏兴化人 博士生 主要从事桩土动力相互作用及固液耦合振动等方面的研究 后通过 公式中的速度力分项 　 　 考虑流体黏性引起的涡流分 量 速度力和黏性阻尼 从而得到钱塘江涌潮荷载作用下桩式丁坝的动力响应 流体 桩 土的稳态简谐动力分析 桩式丁坝的特点是埋置桩的上部浸没在流体中 当受 到涌潮动力荷载时产生振动 桩在河床以上的部分和流体 耦合作用 桩在河床以下的部分和土体相互作用 如图 所 示 为桩的弹性模量 为桩的横截面积 为桩的密 度 为涌潮压力 为土弹簧系数 为土的阻尼 系数 模型采用在水深 中 半径为 埋入土中深度为 的圆桩 受流体简谐荷载作用 图 取柱坐标系 使 得 在静水面上 轴通过桩中心 向上为