广东省航运规划设计院有限公司广东广州510000
摘要：聚焦波是实验中模拟实际极限海浪和研究波浪破碎的一种重要方法。在实际码头工程中，桩基处于浅水和有限水深的环境中，波浪瞬变聚焦时容易对桩基产生很大影响，因此本文利用数值方法分析聚焦波，同时采用Morison方程对桩基受力进行分析。
关键词：码头工程；直立桩基；聚焦波；Morison方程；
1聚焦波的理论模型
线性波浪理论描述聚焦波，任意时刻的波面都表示为：
N为波浪的个数，为波的波幅，为圆率，为波数，为组成波的相位，和之间满足线性色散关系。
工程中的实际海浪多为不规则波浪，同样可以描述为无数个规则波叠加而成，当多个规则波的初相位满足下式：时，波浪则会产生聚焦现象。聚焦波形成一个较大波高的波浪，最大波浪振幅A可达，波浪携带的能量较大，对桩基产生较大的影响。通过理论模型的建立，分析聚焦波的波浪要素，进而分析波浪对桩基的受力。
表产生聚焦波的输入参数
2桩基受波浪力分析
2.1Morison方程
Morison方程是莫里森等人于1950年提出的。从根本上说是计算各水深处波浪力，然后沿柱长积分得到桩柱波浪力的方程。波浪对于海工结构物的作用主要有三种效应：1、流体的粘性引起粘滞效应，2、由于惯性，结构物会使波流场发生改变从而产生相应附加质量效应，3、波浪的绕射效应。
Morison方程描述作用于柱体任意高度z处的水平波浪力包括两个分：水平拖曳力fd（波浪水质点的水平速度引起的对柱体的作用力）和水平惯性力fi（水质点运动的水平加速度引起的对柱体的作用力）。
一般工程中桩基相对于波浪尺度较小，桩基对波浪运动无显著影响，因此，在研究受力时，假设波浪的绕射效应很小，因此作用在桩基的波浪力可分解为速度分力PD和惯性分力PI，速度分力正比于桩基直径，由于波浪运动是水质点的往复的振荡运动，因此速度分力也表现出往复性。惯性力分力即由于水质点水平加速度引起的作用力，正比于波浪与桩基接触的平面面积，作为一种质量力，正比于加速度。但由于流体的粘滞效应，不同流速情况和不同桩径情况下会有所差异。因此通过大量试验，引入速度力系数CD和惯性力系数CM。
对于小尺度桩基，作用在底面以上高度z处波浪力可描述为：
式中，F为垂直圆柱体单位长度上的总水平力，D为圆直径，u为水质点水平速度，u’为水质点水平加速度。
在实际计算中，对总力进行简化分解：
2.2小尺度判别
对于波浪的绕射作用，桩基截面对其影响较大，通过试验研究发现，当桩基直径与波长比D/L≤0.2时，桩基对于波浪的扰动较小，在实际工程应用中可忽略波浪绕流作用。
2.3波浪要素计算
在工程应用中，假设波浪为线性波，满足线性叠加原理，其本质上可忽略高阶谐波的干扰，对于实际近岸海域工程来说，忽略波浪的非线性作用可以大大简化计算效率。
对于有限水深波浪理论，波浪的水质点运动轨迹呈椭圆形，当水深越大，波浪形态越接近正弦波，水质点运动趋于正圆；当水深变浅，波浪变形，波峰变大，波谷变小，水质点运动轨迹呈螺旋前进的椭圆形。在考虑桩基作用力时，取波浪水质点水平速度u，可表达为：
其中H为波浪波高，d为建筑物前水深，L为波浪波长。然后对水平速度u进行时间求导，得水平加速度：波浪为往复性运动，因此作用力也呈往复性特征，通过简单推导，速度力最大值出现在00的相位，惯性力最大值出现在2700的相位上。
2.3聚焦波对桩基作用的实例计算
通过对文献的分析，本文取的聚焦波参数如第一节所述，桩基为直径1m的圆形灌注桩，波长L=12.2m，桩基前水深d=6m，波浪周期T=2.8s。计算结果如下：
3聚焦波作用下桩基影响分析
3.1波浪力分析
通过上述试验和计算分析，在小尺度桩基状态下，波浪力的惯性分力较水平分力偏大，从结果分析，当波高增大时，波浪水平速度力和惯性力都随着波高的增大而增大，很明显看出水平速度力的增长速度大于惯性力，但是在小尺度状况下，惯性力依然是主导的作用力。
因此在实际工程中，为避免桩基所受波浪力变大，需相应改善波浪条件或者减少桩径，但对于实际工程应用，桩径一般决定于上部结构等多方面原因，所以，增加桩基底部河床高度或增加消浪措施也可作为实际工程的措施进行设计。
3.2波浪其他因素影响分析
在试验过程中和后续计算分析中，很明显发现，除了最大波浪力对桩基的作用时，还存在其他因素对桩基有较大影响：因为波浪是一种往复性作用，波浪力也明显表现出一定的往复性，因此在设计桩基的过程中，要充分考虑桩基在往复力作用下的疲劳效应，同时分析桩基存在的共振现象的可能性，虽然对于大结构混凝土建筑物来说，共振频率远远偏离实际波浪频率，但对于疲劳效应应十分重视，要充分考虑到桩基的裂缝宽度和使用期限。
4结语
本文在试验基础上分析了聚焦波对桩基的作用，当波高增大时，波浪水平速度力和惯性力都随着波高的增大而增大，水平速度力的增长速度大于惯性力，但是对于小尺度桩基，惯性力依然是主导的作用力；且波浪同时对桩基产生相应的疲劳效应，必须综合考虑和研究。
参考文献：
[1]李玉成.作用于垂直桩上的波浪水流力，海洋学报居，1988（6）：751-761.
[2]竺艳蓉.海洋工程波浪力学[M].天津大学出版社，1991.42-48.
[3]俞聿修.随机波浪及其工程应用[M].大连：大连理工大学出版社，2000.