海洋潮差浪溅区风浪力对海洋构筑物腐蚀附加载荷谱的影响

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｏｆｆｓｈｏｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｔｉｄａｌａｎｄｓｐｌａｓｈｚｏｎｅｏｆｏｃｅａｎ，ｉｔｉｓｎｏｔｏｎｌｙｓｕｆｆｅｒｅｄｆｒｏｍｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｓｅａｗａｔｅｒｂｕｔａｌｓｏｓｕｆｆｅｒｅｄｆｒｏｍｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ，ｗｈｉｃｈｍａｙｂｅｅｎｈａｎｃｅｄｂｙｗａｖｅｆｏｒｃｅ．Ｉｔｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈａｔｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｏａｄｓｐｅｃｔｒａｏｎｏｆｆｓｈｏｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃａｕｓｅｄｂｙｗａｖｅｆｏｒｃｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｖｅｒａｇｅｗａｖｅｆｏｒｃｅ，ｍａｘｉｍｕｍｗａｖｅｆｏｒｃｅ，ｉｔｓｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅ，ｏｆｄｉｍｅｎｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｆｗａｖｅｈｅｉｇｈｔｏｎｔｈｅｗａｖｅｆｏｒｃｅｓｐｅｃｔｒａ．Ｔｈｅａｎａｌｅｆｆｅｃｔｏｆｗａｔｅｒｄｅｐｔｈｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｅｒｉｏｄａｎｄｈｅｉｇｈｔｏｆｗａｖｅｈａｖｅｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｏａｄｓｐｅｃｔｒａ；ｔｈｅｗａｖｅｆｏｒｃｅｖａｒｉｅｄｉｎｔｈｅｓａｍｅｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｆｏｒｍｗｉｔｈｔｈｅｗａｖｅ；ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｗａｖｅｆｏｒｃｅｗａｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｗａｖｅｈｅｉｇｈｔ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｗａｔｅｒｄｅｐｔｈ．ＴｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｏａｄｓｐｅｃｔｒａｏｎｏｆｆｓｈｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｌｏｎｇｃｏａｓｔａｌｏｆＣｈｉｎａｓｅａｖａｒｉｅｄｗｉｔｈｓｅａｓｏｎａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｗｏｒｋｐｒｏｖｉｄｅｄａｂａｓｉｓｔｏｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｏａｄｓｐｅｃｔｒａｏｆｗａｖｅｆｏｒｃｅｗｈｉｃｈｗａｓｓｕｒｅｌｙｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｏｃｅａｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｉｄａｌａｎｄｗａｖｅｓｐｌａｓｈｚｏｎｅ；ｗａｖｅｆｏｒｃｅ；ｌｏａｄ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ；ｓｅａｓｏｎａｌｃｈａｎｇｉｎｇ
，尤其在波浪冲击力和结构固有应力发生共振时，会对
钢结构产生很大的破坏．所以，在研究海洋环境对钢结构腐
收稿日期：２０１００３２２初稿５０９７１１１８）和国家科技支撑基金项目：国家自然科学基金资助项目（计划项目（２００７ＢＡＢ２７Ｂ０５）资助作者简介：刘薇（１９８４－），女，硕士生，研究方向为金属腐蚀与防护．Ｔｅｌ：０５３２－６６７８１９０３Ｅｍａｉｌ：ｑｄｐｄｌｗ＠１６３．ｃｏｍ
１１，２ＬＩＵＷｅｉ，ＷＡＮＧＪｉａ
１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６１００；２ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＣｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１６
ＥｆｆｅｃｔｏｆＯｃｅａｎＷａｖｅＦｏｒｃｅｏｎＣｏｒｒｏｓｉｏｎＦａｔｉｇｕｅＲｅｌａｔｅｄＬｏａｄｓｐｅｃｔｒａｏｎＯｆｆｓｈｏｒｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎＴｉｄａｌａｎｄＳｐｌａｓｈＺｏｎｅ
290腐蚀科学与防护技术第22最大水平波浪冲击力计算作用在立柱上水平波浪力涉及两方面问题一是针对所在海域的水深d波浪高度h和波浪周期t等条件选用一种适宜的波浪理论来进行计算二是选择合适的拖拽力系数c在海洋工程设施中广泛使用结构物d桩柱直径的小尺度细长圆柱体
第２２卷第４期２０１０年７月
４］，需要根据经验和现水质点规圆半径与物体直径比等参数［
（２）
Ｆｉｇ．３ＷａｖｅｐｏｗｅｒｖｅｒｓｕｓｗａｖｅｈｅｉｇｈｔｏｎａｐｉｌｌａｒｗｉｔｈＤ＝１ｍ值的最大水平波浪力作用是工程设计中最关心的问题之一．已证实，波浪力周期性与波浪高度有关．当Ｔ＝１０ｓ，Ｄ＝０５，ｄ＝３０ｍ时，０１ｍ小波浪和３ｍ大波浪时，波浪作用力周期性变化如图４（ａ，ｂ）所示．从图４（ａ）可知，在小波浪时，最大水平拖拽力Ｆ较Ｈ，Ｄ，１小，合力曲线Ｆ取决于最大水平惯性力Ｆ，Ｆ按正弦Ｈ，１Ｈ，Ｉ，１Ｈ，１曲线周期性作用于立柱，符合ＦＦ，最大波浪力 ≥２Ｈ，ＩＨ，Ｄｍａｘｍａｘ发生在θ ＝２时，且Ｆ＝２Ｆ．从图４（ｂ）可知，在大波 π／ＨＨ，Ｉｍａｘｍａｘ浪时，虽然拖拽力Ｆ和惯性力Ｆ对立柱作用都很大，Ｈ，Ｄ，２Ｈ，Ｉ，２但波浪合力Ｆ仍然按正弦周期性作用于圆柱桩柱上，且结Ｈ，２果符合当Ｆ＜２Ｆ，最大波浪力发生在Ｈ，ＩＨ，Ｄｍａｘｍａｘａｒｃｓｉｎ θ ０＝
结构物Ｄ（桩柱直径）／Ｌ（海浪波长）＜０２ｍ的小尺度细长圆柱体．以下以这种小尺度圆柱为例，分析作用在细长圆柱体上的波浪力．设一立柱在水深为ｄ的海底上，波高为Ｈ的入射波沿ｘ正方向传播．如图１所示，柱体中心轴线与海底线的交点为坐标（ｘ，ｚ）原点．以绕流理论为基础的Ｍｏｒｉｓｏｎ半经验公
２］是当前广泛使用计算方法．根据这一方法，波浪冲击时，式［
Ｆｉｇ．２Ｗａｖｅｐｏｗｅｒｖｅｒｓｕｓｄｉａｍｅｔｅｒｏｆａｐｉｌｌａｒｉｎｄｅｐｔｈｏｆ３０ｍ
作用在立柱任意高度ｚ处主要为粘滞效应和附加质量效应，则水平力ＦＨ包括波浪质点运动水平速度ｕｚ对柱体的水平拖拽作用力Ｆｕ／ｄｔ对柱体Ｄ和波浪质点运动的水平加速度ｄ，即的水平惯性作用力ＦＩＦＨ＝ＦＤ＋ＦＩ＝
＿ｄｕ１ＸＣｕｕ＋ＣＶＤＡＸ｜Ｘ｜Ｍρ ０２ｄｔ
（１）
Ａ为立柱水平截面面积，Ｄ为横断面直径，ｕ其中，Ｘ为柱体轴线处水质点速度；ＣＣ ρ Ｄ，Ｍ为波浪阻力系数和惯性力系数；为海水密度．经整理，任一相位 θ 作用于整个立柱的总水平波浪力可近似为Ｆｃｏｓ｜ｃｏｓ｜＋Ｆｓｉｎ θ θ θ Ｈ＝ＦＨＤｍａｘＨＩｍａｘ式中，Ｆ为最大拖拽力；Ｆ为最大惯性力．ＨＤｍａｘＨＩｍａｘ此外，系数ＣＣ、结构表面的粗糙度、Ｄ、Ｍ依赖于雷诺数Ｒｅ
腐蚀科学与防护技术
ＣＯＲＲＯＳＩＯＮＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．４Ｊｕｌ．２０１０
海洋潮差浪溅区风浪力对海洋构筑物腐蚀附加载荷谱的影响
，２刘薇１，王佳１
１中国海洋大学化学化工学院，青岛２６６１００；２中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室，沈阳１１００１６摘要：海洋潮差浪溅区结构物不仅存在海水环境物理化学生物因素引起的腐蚀问题，还存在海面风浪力周期作用引起的腐蚀疲劳问题．本文分析了海洋潮差浪溅区风浪力作用于构筑物的产生附加载荷变化，计算了作用于结构物桩柱的平均波浪力、最大波浪力及作用力的周期性等附加应力载荷谱特征，分析了水深、桩柱直径和波浪高度对波浪冲击力的影响．结果表明，波浪因素对附加应力载荷谱具有较大的影响；作用于小直径桩柱波浪力呈正弦周期性变化，其周期和入射波周期一致，且周期最大作用力与波高，圆柱直径，水深有密切关系；我国海区沿岸的应力载这些工作为典型海域构筑物腐蚀疲劳波浪力附加载荷谱的建立和应用提供了方法和依荷具有明显的季节性变化．据．关键词：海洋潮差浪溅区；波浪力；载荷腐蚀；腐蚀疲劳；季节性变化中图分类号：Ｐ７５５３文献标识码：Ａ文章编号：１００２６４９５（２０１０）０４０２８９０５
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
腐蚀科学与防护技术
第２２卷
１波浪运动产生的附加作用力
１１最大水平波浪冲击力计算作用在立柱上水平波浪力Ｆ一Ｈ涉及两方面问题，是针对所在海域的水深ｄ、波浪高度Ｈ和波浪周期Ｔ等条件
２］选用一种适宜的波浪理论来进行计算［，二是选择合适的拖［３］．在海洋工程设施中广泛使用拽力系数ＣＤ和质量系数ＣＭ
随着海洋资源的开发与利用，钢铁构筑物在海洋环境中的腐蚀已成为人们日益关注的焦点．钢结构浸泡在水面部分不仅要遭受海水腐蚀，还要经受波浪冲击引起的腐蚀疲劳损伤
［１］
蚀影响的同时，也需要研究海洋波浪力对钢结构腐蚀疲劳载荷状态的影响．飞溅区海洋结构物承受的海洋环境附加载荷主要是潮汐海流冲击载荷和波浪冲击载荷．潮汐海流力是一种稳恒作用力，波浪力则是交变作用力，两者耦合呈现出包含直流偏置成海洋结构物通常是直径小于波浪波长的圆分的脉动作用力．柱结构为主．在潮差浪溅区，包括因风浪运动产生的周期冲击应力和潮汐海流运动产生的稳恒冲击应力的波浪海流力持续本文在总以脉动周期应力的形式作用到圆柱型海洋构筑物．结和归纳海洋波浪力和海流力计算分析方法基础上，研究了潮差浪溅区海洋构筑物的载荷状态及其分布的变化．