无掩护状态下的游艇码头波浪力研究
卢笙
摘 要：游艇码头是新兴事物，结构设计中外力计算一般参考现行码头规范，本文介绍了相关规范、手册中关于游艇码头波浪力计算的不同算法，并利用有限元模拟软件进行了对比分析，可为相关的设计提供一定的技术参考。
关键词：游艇码头；水平波浪力；计算；数值模拟；对比
中图分类号：U652 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0042-03
近年来，随着国民经济的发展及群众生活水平的提高，国内游艇业发展迅猛，2014年7月，交通部发布了《游艇码头设计规范》，对游艇码头的规划、平面布置、结构设计等作出了详细规定，但在外力荷载计算上，并未根据游艇码头的特点提出针对性的计算，波浪荷载可根据《港口与航道水文规范》进行计算。资料不足时，水平波浪荷载可取2kpa，条文说明中说明了该值参考了英国游艇码头行业准则。
一般情况下游艇码头位于防波堤内侧，波高通常小于0.5m，受到的波浪力不大，因此波浪力不是主要控制外力，水平波浪荷载取2kpa完全可以满足设计要求。但仍有部分游艇码头位于大型江河两侧，当高速行驶的船只经过时会引起较大的波浪；或是在半封闭的防波堤内部，波浪折射入港内时波浪仍较大，波高较高，此时对波浪力一概以2kpa取值是不尽合理的，应对波浪力着重核算。
1作用于浮体上的波浪力计算方法
在《港口与航道水文规范》中介绍了波浪作用于直墙式建筑物时，分为立波、远破波及近破波三种波态，按照直墙前水深、基床形式、波高、波长的相互关系，来进行判断及计算。当相对水深d/L=0.1～0.2、波陡H/L≥1/30，对于作用于直墙前的立波波峰力，一般采用森弗罗（Sainflou）简化法计算，与实际情况相比是偏于安全的。而当相对水深0.2<d
而对于波浪力作用于水面处上下透空的浮箱时，影响其受力的因素很多，波浪反射较小，基本无法形成立波。同时波浪能量从上下方越过，都一定程度削减了作用于建筑物的水平力。因此计算作用于浮体的波浪力时，如采用森弗罗简化法或欧拉坐标有限振幅一次近似解，得到的结果均偏大。
《海港工程设计手冊》中介绍了作用于船体上的波压力的计算方法，当波浪横向作用于船体上时，有部分波浪越过船体，部分波浪被局部反射，相较于作用于直墙建筑物上被完全反射的立波，船体正面的干涉波高将大于原始波高，又小于遇直墙发生完全反射的立波波高，计算的结果更符合实际情况。
干涉波高数值上等于原始波高与局部反射波高之和，可用下式进行计算。
Hr=Kr H，Kr为局部反射系数：
式中：L—波长（m）；d—水深（m）；T—船体水面以下高度（m）；η—入射波波峰在静水面上的高度（m）；
干涉波高为：Hd=2Hr+（H-Hr）=H+Hr
一般游艇码头是固定于定位桩上的，仅能上下移动，因此算法应满足工程精度要求。下文通过工程实例，对浮体上所受水平波浪力进行计算，并利用流体力学有限元软件进行数学模拟，以验证上述波浪力计算。
2水平波浪力理论计算与数学模拟的对比
2.1利用工程实例对水平波浪力进行计算
本次计算利用位于浙江省宁波市某处位于天然避风港内的游艇码头，由于避风条件良好，工程未修建防波堤，但由于风区较宽广，风成浪传到游艇码头处波高仍较大，经推算游艇码头处波高约1m。
本工程建造游艇泊位44个，以及过桥墩、人行便桥等接岸设施。码头平面呈梳式布置，均为中小型游艇泊位。码头主浮桥通过人行便桥及便桥浮筒等与后方陆域连接。
码头主浮桥宽3.0m，长为139m，主浮桥东侧垂直布置8个小型游艇泊位，长58m。辅助浮桥长21m，宽1.2m。浮桥除中部梳式浮桥采用内桩式钢管桩定位外，其余均采用外桩式钢管桩定位。采用浮箱结构游艇码头通过Ф600钢管桩进行固定，其主浮桥主要采用2400×2000×500mm（长×宽×高）增强塑料浮箱，辅助浮桥采用1100×900×550mm（长×宽×高）增强塑料浮箱，浮箱内部填充聚苯乙烯泡沫，并在浮箱下加配重，主浮桥和辅助桥配重后浮箱干舷高度315～500mm（空载为大值，满载为小值）。
游艇码头主要设计条件如下：
设计高水位：2.90m （高潮累积频率10%）
设计低水位：-2.20m （低潮累积频率90%）
波浪力计算参数：
计算采用的参数如下：波高H=1m，波长L=20m，周期T=3.5s，水深d=5m，浮箱宽2m，高1m，其中水下0.5m，水上0.5m，。
2.2浮体上受到的水平波浪力计算
（1）根据《港口与航道水文规范》，波浪作用于直立墙式建筑物上的立波作用力，按下式计算：
静水面处波浪压强：
采用上述公式计算后，根据计算结果绘制波压力图形，需截取作用于浮箱上的波浪力，按浮箱高度对作用力进行简化为平均压强，结果为8.67kpa。由于未能考虑波浪绕过浮箱减少的波浪力，计算结果偏大。
（2）根据《海港水文设计规范》，为简化计算，可将干涉波视为完全反射的立波来绘制波压力图形，入射波高由原始的H调整为H，即H可取干涉波高Hd的一半。
这样水深d处的压强为：
水面处的压强为：
根据计算结果绘制波压力图形（见图2），同样简化为平均压强，结果为5.84kpa，由于将浮体视为不动，因此结果也比实际偏大。
2.3利用有限元软件模拟波浪力计算
利用流体力学软件Ansys Fluent来建立模拟波浪与浮体相互作用的水槽，利用VOF法对运动界面进行追踪，RNG k-ε模型来模拟紊流。
建立长125m，宽50m的水槽，水深5m。浮体尺寸为10×2×1m，将浮体置于水槽中央，以避免太过接近入口造成波浪入射及反射叠加而造成波形紊乱。水槽四壁及底部均设置为wall，为减少计算量只在浮体迎波面设置了压力入口。水槽端部为速度入口造波，设置波浪方向沿x轴正向传播，波高为1m，共设置50个网格，每个网格0.02m，可较准确的捕捉波浪运动。计算域中网格数共约68万个。
采用速度入口造波，波浪参数为波高1m，波长20m，周期3.5s，波浪稳定传至浮体后，取出浮体迎波面的压强值进行分析，可看出压强随时间波形变化形状良好，表示网格分割合适。取出迎波面最大压强为3470.8pa，即3.47kpa。
3不同计算结果对比
综合理论计算与数值模拟的结果，计算作用于定位桩上的水平波浪力，可用于验算定位桩的强度。
不同的计算结果对比如表1：
从对比结果可得出，港航水文规范计算所得为直立面上的波浪力，波浪全反射，得出的结果最大。而游艇码头规范未考虑港内波浪较大时的状况，得出水平力最小，与最大水平力之间相差了3倍有余，直接用于工程设计恐有安全隐患。建议当波高大于0.5m时，应另行验算波浪力。而海港手册考虑波浪的局部反射，与正面的波高互相干涉，计算结果与数学模型最为接近，稍大于数模计算的值也是偏安全合理的。
4結语
不同于游艇码头已成熟的欧美市场，国内游艇码头的建设正在起步。与国外情况不同，国内已有不少游艇码头都处于无掩护状态下，简单按照规范来计算结构可能会造成结构强度不足或是不必要的浪费。本文结合工程实例，通过对国内不同规范和手册的研究，并与有限元模拟软件计算结果互相对比、印证，提出了水平波浪力取值的建议，对其他处于无掩护状态下的游艇码头波浪计算提供了参考。
参考文献：
[1] 中华人民共和国交通运输部.游艇码头设计规范.JTS165-7-2014[S].
[2] 中华人民共和国交通运输部.港口与航道水文规范.JTS 145-2015[S].
[3] A Code of Practice for the Design Construction and Operation of Coastal and Inland Marinas and Yacht Harbours.British.2013[S].
[4]交通部第一航务工程勘察设计院.海港工程设计手册，中册[S].人民交通出版社.
摘 要：游艇码头是新兴事物，结构设计中外力计算一般参考现行码头规范，本文介绍了相关规范、手册中关于游艇码头波浪力计算的不同算法，并利用有限元模拟软件进行了对比分析，可为相关的设计提供一定的技术参考。
关键词：游艇码头；水平波浪力；计算；数值模拟；对比
中图分类号：U652 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0042-03
近年来，随着国民经济的发展及群众生活水平的提高，国内游艇业发展迅猛，2014年7月，交通部发布了《游艇码头设计规范》，对游艇码头的规划、平面布置、结构设计等作出了详细规定，但在外力荷载计算上，并未根据游艇码头的特点提出针对性的计算，波浪荷载可根据《港口与航道水文规范》进行计算。资料不足时，水平波浪荷载可取2kpa，条文说明中说明了该值参考了英国游艇码头行业准则。
一般情况下游艇码头位于防波堤内侧，波高通常小于0.5m，受到的波浪力不大，因此波浪力不是主要控制外力，水平波浪荷载取2kpa完全可以满足设计要求。但仍有部分游艇码头位于大型江河两侧，当高速行驶的船只经过时会引起较大的波浪；或是在半封闭的防波堤内部，波浪折射入港内时波浪仍较大，波高较高，此时对波浪力一概以2kpa取值是不尽合理的，应对波浪力着重核算。
1作用于浮体上的波浪力计算方法
在《港口与航道水文规范》中介绍了波浪作用于直墙式建筑物时，分为立波、远破波及近破波三种波态，按照直墙前水深、基床形式、波高、波长的相互关系，来进行判断及计算。当相对水深d/L=0.1～0.2、波陡H/L≥1/30，对于作用于直墙前的立波波峰力，一般采用森弗罗（Sainflou）简化法计算，与实际情况相比是偏于安全的。而当相对水深0.2<d
而对于波浪力作用于水面处上下透空的浮箱时，影响其受力的因素很多，波浪反射较小，基本无法形成立波。同时波浪能量从上下方越过，都一定程度削减了作用于建筑物的水平力。因此计算作用于浮体的波浪力时，如采用森弗罗简化法或欧拉坐标有限振幅一次近似解，得到的结果均偏大。
《海港工程设计手冊》中介绍了作用于船体上的波压力的计算方法，当波浪横向作用于船体上时，有部分波浪越过船体，部分波浪被局部反射，相较于作用于直墙建筑物上被完全反射的立波，船体正面的干涉波高将大于原始波高，又小于遇直墙发生完全反射的立波波高，计算的结果更符合实际情况。
干涉波高数值上等于原始波高与局部反射波高之和，可用下式进行计算。
Hr=Kr H，Kr为局部反射系数：
式中：L—波长（m）；d—水深（m）；T—船体水面以下高度（m）；η—入射波波峰在静水面上的高度（m）；
干涉波高为：Hd=2Hr+（H-Hr）=H+Hr
一般游艇码头是固定于定位桩上的，仅能上下移动，因此算法应满足工程精度要求。下文通过工程实例，对浮体上所受水平波浪力进行计算，并利用流体力学有限元软件进行数学模拟，以验证上述波浪力计算。
2水平波浪力理论计算与数学模拟的对比
2.1利用工程实例对水平波浪力进行计算
本次计算利用位于浙江省宁波市某处位于天然避风港内的游艇码头，由于避风条件良好，工程未修建防波堤，但由于风区较宽广，风成浪传到游艇码头处波高仍较大，经推算游艇码头处波高约1m。
本工程建造游艇泊位44个，以及过桥墩、人行便桥等接岸设施。码头平面呈梳式布置，均为中小型游艇泊位。码头主浮桥通过人行便桥及便桥浮筒等与后方陆域连接。
码头主浮桥宽3.0m，长为139m，主浮桥东侧垂直布置8个小型游艇泊位，长58m。辅助浮桥长21m，宽1.2m。浮桥除中部梳式浮桥采用内桩式钢管桩定位外，其余均采用外桩式钢管桩定位。采用浮箱结构游艇码头通过Ф600钢管桩进行固定，其主浮桥主要采用2400×2000×500mm（长×宽×高）增强塑料浮箱，辅助浮桥采用1100×900×550mm（长×宽×高）增强塑料浮箱，浮箱内部填充聚苯乙烯泡沫，并在浮箱下加配重，主浮桥和辅助桥配重后浮箱干舷高度315～500mm（空载为大值，满载为小值）。
游艇码头主要设计条件如下：
设计高水位：2.90m （高潮累积频率10%）
设计低水位：-2.20m （低潮累积频率90%）
波浪力计算参数：
计算采用的参数如下：波高H=1m，波长L=20m，周期T=3.5s，水深d=5m，浮箱宽2m，高1m，其中水下0.5m，水上0.5m，。
2.2浮体上受到的水平波浪力计算
（1）根据《港口与航道水文规范》，波浪作用于直立墙式建筑物上的立波作用力，按下式计算：
静水面处波浪压强：
采用上述公式计算后，根据计算结果绘制波压力图形，需截取作用于浮箱上的波浪力，按浮箱高度对作用力进行简化为平均压强，结果为8.67kpa。由于未能考虑波浪绕过浮箱减少的波浪力，计算结果偏大。
（2）根据《海港水文设计规范》，为简化计算，可将干涉波视为完全反射的立波来绘制波压力图形，入射波高由原始的H调整为H，即H可取干涉波高Hd的一半。
这样水深d处的压强为：
水面处的压强为：
根据计算结果绘制波压力图形（见图2），同样简化为平均压强，结果为5.84kpa，由于将浮体视为不动，因此结果也比实际偏大。
2.3利用有限元软件模拟波浪力计算
利用流体力学软件Ansys Fluent来建立模拟波浪与浮体相互作用的水槽，利用VOF法对运动界面进行追踪，RNG k-ε模型来模拟紊流。
建立长125m，宽50m的水槽，水深5m。浮体尺寸为10×2×1m，将浮体置于水槽中央，以避免太过接近入口造成波浪入射及反射叠加而造成波形紊乱。水槽四壁及底部均设置为wall，为减少计算量只在浮体迎波面设置了压力入口。水槽端部为速度入口造波，设置波浪方向沿x轴正向传播，波高为1m，共设置50个网格，每个网格0.02m，可较准确的捕捉波浪运动。计算域中网格数共约68万个。
采用速度入口造波，波浪参数为波高1m，波长20m，周期3.5s，波浪稳定传至浮体后，取出浮体迎波面的压强值进行分析，可看出压强随时间波形变化形状良好，表示网格分割合适。取出迎波面最大压强为3470.8pa，即3.47kpa。
3不同计算结果对比
综合理论计算与数值模拟的结果，计算作用于定位桩上的水平波浪力，可用于验算定位桩的强度。
不同的计算结果对比如表1：
从对比结果可得出，港航水文规范计算所得为直立面上的波浪力，波浪全反射，得出的结果最大。而游艇码头规范未考虑港内波浪较大时的状况，得出水平力最小，与最大水平力之间相差了3倍有余，直接用于工程设计恐有安全隐患。建议当波高大于0.5m时，应另行验算波浪力。而海港手册考虑波浪的局部反射，与正面的波高互相干涉，计算结果与数学模型最为接近，稍大于数模计算的值也是偏安全合理的。
4結语
不同于游艇码头已成熟的欧美市场，国内游艇码头的建设正在起步。与国外情况不同，国内已有不少游艇码头都处于无掩护状态下，简单按照规范来计算结构可能会造成结构强度不足或是不必要的浪费。本文结合工程实例，通过对国内不同规范和手册的研究，并与有限元模拟软件计算结果互相对比、印证，提出了水平波浪力取值的建议，对其他处于无掩护状态下的游艇码头波浪计算提供了参考。
参考文献：
[1] 中华人民共和国交通运输部.游艇码头设计规范.JTS165-7-2014[S].
[2] 中华人民共和国交通运输部.港口与航道水文规范.JTS 145-2015[S].
[3] A Code of Practice for the Design Construction and Operation of Coastal and Inland Marinas and Yacht Harbours.British.2013[S].
[4]交通部第一航务工程勘察设计院.海港工程设计手册，中册[S].人民交通出版社.
