涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布计算的专用组件制造技术

本发明专利技术涉及流体力学领域。目的是提供一种用于计算涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布的专用组件；该组件利用水文采集装置或涌潮计算模型较易获取的潮前水深、潮前流速、涌潮高度等基本参数，通过计算机可计算得涌潮作用于圆柱桩上的最大压强和垂线上各测点的最大压强，能较好的反映涌潮最大压强的垂向分布特征。技术方案是：涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布计算的专用组件，其特征在于：包括至少一计算机、若干水文采集装置或涌潮计算模型，计算机连接水文采集装置或涌潮计算模型，并接收水文采集装置输出的水文数据或涌潮计算模型的涌潮计算数据，然后进行处理并将处理结果以图表的形式输出。

Special Component for Calculating the Maximum Pressure and Vertical Distribution of Cylindrical Piles under Surge

【技术实现步骤摘要】
涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布计算的专用组件
本专利技术涉及流体力学领域，尤其涉及涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布(即垂线方向分布)的计算方法及其专用组件。
技术介绍
世界上的许多强潮河口都存在涌潮现象，如巴西亚马逊河、英国的塞文河、印度的胡格里河等。钱塘江涌潮在各河口中最为典型，是极具特色的旅游资源和自然奇观。钱塘江涌潮形成后，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。涌潮是一种水位、流速急剧变化的涨潮潮波前锋线，蕴藏着巨大的能量，对涉水建筑物冲击破坏严重。1953年海宁盐官塘顶一头重1.5吨的“镇海铁牛”被涌潮掀起，冲离原地10余米；1988年8月，海宁十堡41号丁坝坝根部位混凝土浇砌石块的坝面，被过坝涌潮掀起一大块，重约30吨，抛离原地七八米，竖靠在石塘边；钱江四桥施工过程中搭设的栈桥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。涌潮是这类构筑物的重要荷载，目前，通常采用智能数字压力传感器等设备获取涌潮的压强数据。由于该方法涉及仪器设备的安装定位、率定矫正、观测数据跳点的处理等程序，费时费力，而且涌潮作用时间很短，对观测的采样频率、数据合理性均有严格的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于计算涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布的专用组件；该组件利用水文采集装置或涌潮计算模型较易获取的潮前水深、潮前流速、涌潮高度等基本参数，通过计算机可计算得涌潮作用于圆柱桩上的最大压强和垂线上各测点的最大压强，能较好的反映涌潮最大压强的垂向分布特征。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布计算的专用组件，其特征在于：包括至少一计算机、若干水文采集装置或涌潮计算模型，计算机连接水文采集装置或涌潮计算模型，并接收水文采集装置输出的水文数据或涌潮计算模型的涌潮计算数据，然后进行处理并将处理结果以图表的形式输出。优选的，所述水文采集装置包括：水位仪、三维声学多普勒流速仪(ADV)、回声测深仪。优选的，所述水文数据或涌潮计算数据包括：潮前水深、潮前流速、涌潮高度。优选的，所述计算机与所述水文采集装置之间的连接方式包括缆线连接或无线电连接或光耦合连接。所述处理包括如下步骤：步骤一、计算涌潮传播速度将水文采集装置或涌潮计算模型获取的相关数据，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：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，g为重力加速度；步骤二、计算涌潮冲击圆柱桩时垂线最大压强将步骤一获取的涌潮传播速度代入式(3)，可计算出涌潮冲击圆柱桩时垂线上的最大压强Pmax：式中：c为涌潮传播速度，ρ为水的密度，Cmax为涌潮最大冲击系数，取值1.8～2.2；步骤三、计算涌潮冲击圆柱桩时垂线上各测点的最大压强a、由某一测点的离河底距离Z1，通过无因次深度Z1'计算公式(4)，计算该处的无因次深度Z1'：b、根据上述式(3)计算得到的垂线最大压强及式(4)得到的无因次深度Z1'，通过最大压强计算公式(5)，计算该测点的最大压强P1：所述步骤二涌潮冲击圆柱桩时垂线最大压强Pmax计算公式(3)的推导过程是，涌潮冲击压强是由于涌潮潮头变成直立的波峰前部与桩柱发生撞击所引起的，属于水流冲击问题。常用的水流冲击压强计算采用半理论半经验公式(6)，式中的冲击系数Cd取决于水流特性。由于涌潮水流特性的复杂性，现以式(6)为基础，利用室内试验所获取的垂线最大压强及涌潮传播速度率定最大冲击系数Cmax，经率定其值为1.8～2.2，均值2.0。式中，P为水流冲击压强，u为水流流速，Cd为水流冲击系数。所述步骤三涌潮冲击圆柱桩时垂线上各测点的最大压强P1的推导过程是：首先，引入了无因次化处理，以消除不同潮前水深、涌潮高度对最大压强在垂向分布上的差异，并根据涌潮压强在垂线上的分布特性，定义：无因次深度【如式(4)所示】、无因次涌潮最大压强P1/Pmax；其次，通过涌潮水槽试验的方法获取无因次深度以及相对应无因次涌潮最大压强；最后，根据最小二乘法的原理，按指数线型回归建立如式(5)的无因次深度～无因次涌潮最大压强的定量关系，其相关系数达0.75。本专利技术的原理是：采用涌潮水槽试验的方法对涌潮冲击圆柱桩的最大压强及其在垂线上的分布特性进行了系统研究。根据涌潮水槽的试验结果，基于垂线(即圆柱桩垂直于地面的轴线)上各测点最大压强的数据资料，采用无因次深度等无量纲指标对涌潮最大压强沿垂线分布进行优化拟合，提出了计算公式，即式(3)和式(5)。在此基础上，以水文采集装置或涌潮计算模型所获取的潮前水深、潮前流速等数据为输入，以涌潮最大压强的垂向分布图为输出，构建完整的专用组件。本专利技术的有益效果是：本专利技术以涌潮冲击圆柱桩时最大压强沿垂线分布的计算公式为理论基础，采用水文采集装置或涌潮计算模型获取输入条件，得到了涌潮最大压强的垂向分布数据。经实测数据或试验数据验证，输出结果较好的反映了涌潮最大压强在垂线上的分布特征，计算误差较小。该组件能够作为桥墩、码头等圆柱桩型下部结构设计或涌潮研究中用于计算垂线上各位置处的涌潮最大压强的有力工具。附图说明图1为本专利技术的总体流程示意图。图2为本专利技术实施例计算机程序简要流程示意图。图3为典型的圆柱桩迎潮面涌潮最大压强沿垂线分布图。图4为是涌潮无因子深度与无因子涌潮最大压强关系图。图5为涌潮发生时的相关参数示意图。图中：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，V1涌潮过后的流速，hs为涌潮冲击圆柱桩时迎流面和背流面之间的水位差。图6本专利技术计算机与水文采集装置或涌潮计算模型连接关系示意图。具体实施方式以下结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细描述。实施例1：涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布计算的专用组件，包括至少一计算机2、若干水文采集装置3或涌潮计算模型1，计算机连接水文采集装置或涌潮计算模型(现有技术)，接收水文采集装置输出的水文数据或涌潮计算模型输出的涌潮计算数据，然后进行处理并将所得的结果以图表4的形式输出。其流程如图1～图2。所述水文采集装置包括：水位仪、三维声学多普勒流速仪(ADV)、回声测深仪。所述水文数据与涌潮计算数据包括：潮前水深、潮前流速、涌潮高度。所述计算机与所述水文采集装置之间的连接关系如图5所示，包括缆线连接或无线电连接或光耦合连接。所述处理，包括如下步骤：步骤一、计算涌潮传播速度将水文采集装置或涌潮计算模型获取的相关数据，代入现有的由一维连续性方程和动量方程，推导出涌潮传播速度理论公式(1)，可计算出涌潮传播速度c：h1＝h0+H(2)式中：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，g为重力加速度；公式(1)来自【潘存鸿,鲁海燕,曾剑.钱塘江涌潮特性及其数值模拟[J].水利水运工程学报,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布计算的专用组件，其特征在于：包括至少一计算机(2)、若干水文采集装置(3)或涌潮计算模型(1)，计算机连接水文采集装置或涌潮计算模型，并接收水文采集装置采集的水文数据或涌潮计算模型的涌潮计算数据，然后进行处理并将处理结果以图表(4)的形式输出。

【技术特征摘要】
1.涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布计算的专用组件，其特征在于：包括至少一计算机(2)、若干水文采集装置(3)或涌潮计算模型(1)，计算机连接水文采集装置或涌潮计算模型，并接收水文采集装置采集的水文数据或涌潮计算模型的涌潮计算数据，然后进行处理并将处理结果以图表(4)的形式输出。2.根据权利要求1所述的涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布计算的专用组件，其特征在于：所述水文采集装置包括：水位仪、三维声学多普勒流速仪(ADV)、回声测深仪。3.根据权利要求2所述的涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布计算的专用组件，其特征在于：所述水文数据或涌潮计算数据包括：潮前水深、潮前流速、涌潮高度。4.根据权利要求3所述的涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布计算的专用组件，其特征在于：所述计算机与所述水文采集装置之间的连接方式包括缆线连接或无线电连接或光耦合连接。5.根据权利要求4所述的涌潮作用于圆柱桩的最大压强及其垂向分布计算的专用组件，其特征在于：所述处理包括如下步骤：步骤一、计算涌潮传播速度将水文采集装置或涌潮计算模型获取的相关数据，代入涌潮传播速度理论公式(1)，可计算出涌潮传播速度c：h1＝h0+H(2)式中：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，g为重力加速度；步骤二、计算涌潮冲击圆柱桩时...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾剑，陈思豪，陈刚，方中帅，
申请(专利权)人：浙江省水利河口研究院，
类型：发明
国别省市：浙江,33