破碎波作用下桩基水平变形计算方法、系统、设备及介质与流程

1.本发明属于海洋和海岸工程技术领域，尤其涉及一种破碎波作用下桩基水平变形计算方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.波浪荷载是海岸和海洋工程结构设计中最重要的荷载之一，波浪对圆柱结构作用荷载通常由莫里森方程计算，其中莫里森方程适用于非破碎波浪，而对于破碎波，莫里森方程已不再适用。波浪破碎是海洋波浪运动中一种常见的现象，特别是台风天气，波高巨大，波面陡峭，波浪易发生破碎。破碎波作用在桩基上时，对桩基结构产生巨大的冲击荷载，威胁桩基结构的安全。据调研，每年都有大量的由于破碎波造成的海洋和海岸工程结构破坏的事故发生。目前，我国有关海岸和海洋桩基结构设计规范中，对破碎波作用在桩基上的波浪荷载计算均没有明确条文说明及建议，因此，亟需一种破碎波作用下桩基水平变形计算方法，为海洋和海岸工程结构设计提供支撑。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种破碎波作用下桩基水平变形计算方法、系统、设备及介质，能够简便的实现破碎波作用下桩基承载水平变形的计算，为海洋和海岸工程结构设计提供支撑。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.一种破碎波作用下桩基水平变形计算方法，包括如下步骤：
6.s1、获取工程海域海况信息，海况信息至少包括最大波高以及最大波高对应的最大波浪周期；
7.s2、基于最大波浪周期计算出波长，以及基于最大波高确定波峰高度；
8.s3、采用莫里森方程计算桩基所受的波浪力，波浪力包括最大拖曳力和最大惯性力；
9.s4、计算最大拖曳力对桩基泥面处形成的第一弯矩，以及计算最大惯性力对桩基泥面处形成的第二弯矩；
10.s5、利用计算规则对波浪力、第一弯矩和第二弯矩进行计算，得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩；
11.s6、计算波浪破碎后对桩基的冲击荷载，以及计算冲击荷载对桩基泥面处形成的冲击弯矩，具体如下：
[0012][0013]fs
＝2πλη
max
ρrv
s2
(2)
[0014]ms
＝fs*h
l
(3)
[0015]
[0016]
其中，v为线性波波速，l为波长,t为最大波浪周期，fs为波浪破碎后对桩基的冲击荷载，λ为冲击力系数，ρ为海水密度，r为桩基的外径的半径，vs为破碎波波速，vs＝1.1v，ms为冲击弯矩，η
max
为波峰高度，d为水深；
[0017]
s7、计算作用在桩基泥面处的水平总力和作用在桩基泥面处的总弯矩，具体如下：
[0018]
f＝p
max
+fs(5)
[0019]
m＝m
max
+ms(6)
[0020]
其中，f为作用在桩基泥面处的水平总力，p
max
为最大水平波浪力，m为作用在桩基泥面处的总弯矩；
[0021]
s8、基于水平总力和总弯矩，根据m法计算破碎波作用下桩基泥面处水平变形。
[0022]
进一步地，基于水平总力和总弯矩，根据m法计算破碎波作用下桩基泥面处水平变形的步骤包括：
[0023]
根据桩基的材料确定桩基材料的弹性模量；
[0024]
根据桩基的尺寸确定桩基截面的惯性矩：
[0025][0026]
其中，i
p
为桩基截面的惯性矩，单位m4，d为桩基外径，d2为桩基内径；
[0027]
基于桩基材料的弹性模量和桩基截面的惯性矩确定弹性桩长度：
[0028][0029]
其中，t为弹性桩长度，e
p
为桩基材料的弹性模量，单位kn/m2，m为基桩地基土的水平抗力系数随深度增长的比例系数，单位为kn/m4，b0为桩基换算宽度，取两倍基桩外径；
[0030]
计算桩基桩身水平位移：
[0031][0032]
其中，y为桩基桩身泥面处的水平位移，单位m，ay、by为桩基水平位移无量纲系数，分别取2.411和1.621。
[0033]
进一步地，采用莫里森方程计算桩基所受的波浪力的步骤包括：
[0034]
采用如下公式计算最大拖曳力和最大惯性力：
[0035]
p
dmax
＝0.5cdγdh
max2
k1(10)
[0036][0037]
p
imax
＝0.5cmγah
max
k2(12)
[0038][0039]
其中，p
dmax
为最大拖拽力，p
imax
为最大惯性力，h
max
为最大波高，cd为拖拽力系数，cm为惯性力系统，γ为海水的重度，a为桩基的横断面面积，d为桩基外径，k1和k2为系数，z为波峰高度η
max
。
[0040]
进一步地，计算最大拖曳力对桩基泥面处形成的第一弯矩，以及计算最大惯性力对桩基泥面处形成的第二弯矩的步骤包括：
[0041]
采用如下公式计算第一弯矩和第二弯矩：
[0042][0043][0044][0045][0046]
其中，m
dmax
为第一弯矩，m
imax
为第二弯矩，k3和k4为系数。
[0047]
进一步地，利用计算规则对波浪力、第一弯矩和第二弯矩进行计算，得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩的步骤包括：
[0048]
判断p
dmax
≤0.5p
imax
是否成立；
[0049]
若成立，则采用如下公式计算波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩：
[0050]
p
max
＝p
imax
(18)
[0051]mmax
＝m
imax
(19)
[0052]
其中，p
max
为最大水平波浪力，m
max
为最大波浪弯矩；
[0053]
若不成立，则采用如下公式计算波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩：
[0054][0055][0056]
进一步地，利用计算规则对波浪力、第一弯矩和第二弯矩进行计算，得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩的步骤之前，方法还包括：
[0057]
利用修正规则对波浪力和水平弯矩进行修正。
[0058]
进一步地，利用修正规则对波浪力和水平弯矩进行修正的步骤包括：
[0059]
判断h
max
/d≤0.2且d/l《0.2是否成立，或者判断h
max
/d》0.2且d/l《0.35是否成立；
[0060]
若成立，则将最大拖拽力乘以参数α进行修正，将最大惯性力乘以参数β进行修正；
[0061]
判断0.04≤d/l≤0.2是否成立；
[0062]
若成立，则将第一弯矩乘以参数γ
p
进行修正，将第二弯矩乘以参数γm进行修正。
[0063]
本发明还提供了一种破碎波作用下桩基水平变形计算系统，包括：
[0064]
获取模块，用于获取工程海域海况信息，海况信息至少包括最大波高以及最大波高对应的最大波浪周期；
[0065]
第一计算模块，用于基于最大波浪周期计算出波长和波数，以及基于最大波高确定波峰高度；
[0066]
第二计算模块，采用莫里森方程计算桩基所受的波浪力，波浪力包括最大拖曳力和最大惯性力；
[0067]
第三计算模块，用于计算最大拖曳力对桩基泥面处形成的第一弯矩，以及计算最大惯性力对桩基泥面处形成的第二弯矩；
[0068]
第四计算模块，用于利用计算规则对最大拖曳力、最大惯性力、第一弯矩和第二弯矩进行计算，得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩；
[0069]
第五计算模块，用于计算波浪破碎后对桩基的冲击荷载，以及计算冲击荷载对桩基泥面处形成的冲击弯矩，具体如下：
[0070][0071]fs
＝2πλη
max
ρrv
s2
(2)
[0072]ms
＝fs*h
l
(3)
[0073][0074]
其中，v为线性波波速，l为波长,t为最大波浪周期，fs为波浪破碎后对桩基的冲击荷载，λ为冲击力系数，ρ为海水密度，r为桩基的外径的半径，vs为破碎波波速，vs＝1.1v，ms为冲击弯矩，η
max
为波峰高度，d为水深；
[0075]
第六计算模块，用于计算作用在桩基泥面处水平总力和作用在桩基泥面处的总弯矩，具体如下：
[0076]
f＝p
max
+fs(5)
[0077]
m＝m
max
+ms(6)
[0078]
其中，f为作用在桩基泥面处的水平总力，p
max
为最大水平波浪力，m为作用在桩基泥面处的总弯矩，m
max
为最大波浪弯矩；
[0079]
第七计算模块，用于基于水平总力和总弯矩，根据m法计算破碎波作用下桩基泥面处水平变形。
[0080]
本发明还公开了一种设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机可读指令，处理器执行计算机可读指令时实现上述任一项方法的步骤。
[0081]
本发明还公开了一种计算机非易失性可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，计算机可读指令被处理器执行时实现上述任一项方法的步骤。
[0082]
相比于现有技术，本发明的有益效果为：计算方式简便，通过理论计算得到破碎波作用下，桩基泥面处水平位移情况，能够简便的实现破碎波作用下桩基承载水平变形的计算，从而能够很好的评估极端海况下桩基安全储备强度，为海洋和海岸工程结构设计提供支撑。
附图说明
[0083]
图1为本发明破碎波作用下桩基水平变形计算方法的流程图；
[0084]
图2为破碎波对桩基作用的示意图；
[0085]
图3为波峰和波高比值图；
[0086]
图4为参数α的取值示意图；
[0087]
图5为参数β的取值示意图；
[0088]
图6为参数γ
p
和参数γm的取值示意图；
[0089]
图7为本发明设备一实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0090]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0091]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0092]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0093]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0094]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0095]
请参阅图1和图2，图1为本发明破碎波作用下桩基水平变形计算方法的流程图，图2为破碎波对桩基作用的示意图。一种破碎波作用下桩基水平变形计算方法，包括如下步骤：
[0096]
s1、获取工程海域海况信息，海况信息至少包括最大波高以及最大波高对应的最大波浪周期；
[0097]
s2、基于最大波浪周期计算出波长，以及基于最大波高确定波峰高度；
[0098]
s3、采用莫里森方程计算桩基所受的波浪力，波浪力包括最大拖曳力和最大惯性力；
[0099]
s4、计算最大拖曳力对桩基泥面处形成的第一弯矩，以及计算最大惯性力对桩基泥面处形成的第二弯矩；
[0100]
s5、利用计算规则对波浪力、第一弯矩和第二弯矩进行计算，得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩；
[0101]
s6、计算波浪破碎后对桩基的冲击荷载，以及计算冲击荷载对桩基泥面处形成的冲击弯矩，具体如下：
[0102][0103]fs
＝2πλη
max
ρrv
s2
(2)
[0104]ms
＝fs*h
l
(3)
[0105][0106]
其中，v为线性波波速，l为波长,t为最大波浪周期，fs为波浪破碎后对桩基的冲击荷载，λ为冲击力系数，ρ为海水密度，r为桩基的外径的半径，vs为破碎波波速，vs＝1.1v，ms为冲击弯矩，η
max
为波峰高度，d为水深；
[0107]
s7、计算作用在桩基泥面处水平总力和作用在桩基泥面处的总弯矩，具体如下：
[0108]
f＝p
max
+fs(5)
[0109]
m＝m
max
+ms(6)
[0110]
其中，f为作用在桩基泥面处的水平总力，p
max
为最大水平波浪力，m为作用在桩基泥面处的总弯矩，m
max
为最大波浪弯矩；
[0111]
s8、基于水平总力和总弯矩，根据m法计算破碎波作用下桩基泥面处水平变形。
[0112]
在上述步骤s1中，工程海域海况信息可基于在极端海况下，工程海域的多个小时的海浪统计信息中得到，从海浪统计信息中得出工程海域的有效波高和有效波高对应的有效周期，根据有效波高和有效波浪周期，计算最大波高和最大周期，具体如下：
[0113]hmax
＝1.86hs(22)
[0114]
t
max
＝0.92t
p
(23)
[0115]
其中，h
max
为最大波高，hs为有效波高，t
max
为最大波高对应的最大波浪周期，t
p
为有效波高对应的有效波浪周期。
[0116]
在上述步骤s2中，根据步骤s1得到的最大周期，基于线性波理论和色散关系计算出对应的波长，并且可以计算出对应的波数，具体如下：
[0117][0118][0119]
其中，d为水深，k为波数，g为重力加速度，l为波长。
[0120]
根据步骤s1得到的最大波高，考虑波浪非线性影响，波峰高度和波谷高度不对称，波峰高度与最大波高的比值关系可参照《参照港口航道与水文规范》(jts145-2015)中的规定，如图3所示。根据最大波高和水深的比值，在图3中得到对应的波峰高度与最大波高的比值，在最大波高为已知的情况下，波峰高度为最大波高乘以波峰高度与最大波高的比值。
[0121]
在上述步骤s3中，破碎波对桩基作用力包含两个部分：一是准静态力，二是破碎波破碎后对桩基作用的冲击力。破碎波对桩基作用的准静态力即桩基受到的波浪力，可以采用莫里森方程计算。其中，桩基受到的波浪力由最大拖曳力和最大惯性力组成。
[0122]
进一步地，采用莫里森方程计算桩基所受的波浪力的步骤包括：
[0123]
采用如下公式计算最大拖曳力和最大惯性力：
[0124]
p
dmax
＝0.5cdγdh
max2
k1(10)
[0125][0126]
p
imax
＝0.5cmγah
max
k2(12)
[0127][0128]
其中，p
dmax
为最大拖拽力，p
imax
为最大惯性力，h
max
为最大波高，cd为拖拽力系数，cm为惯性力系统，γ为海水的重度，a为桩基的横断面面积，d为桩基外径，k1和k2为系数，z为波峰高度η
max
。
[0129]
在上述步骤s4中，波浪作用在桩基上时是沿着桩基高度分布的，因此要计算波浪作用下桩基承载水平变形，即将波浪作用在桩基上的力转换到桩基泥面处时，波浪作用在桩基上的力转换为桩基泥面处的弯矩以及桩基泥面处水平力两部分，桩基泥面处即桩基位于泥面处的位置，因此在步骤s3计算出桩基受到的波浪力之后，还需计算在最大拖曳力的作用下，桩基泥面处的第一弯矩，以及计算在最大惯性力的作用下，桩基泥面处的第二弯矩。
[0130]
进一步地，计算最大拖曳力对桩基泥面处形成的第一弯矩，以及计算最大惯性力对桩基泥面处形成的第二弯矩的步骤包括：
[0131]
采用如下公式计算第一弯矩和第二弯矩：
[0132][0133][0134][0135][0136]
其中，m
dmax
为第一弯矩，m
imax
为第二弯矩，k3和k4为系数。
[0137]
在上述步骤s5中，为很好的评估极端海况下桩基安全储备强度，在考虑破碎波作用下桩基承载水平变形需按照最大的水平波浪力以及作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩来确定，因此利用预先设定的计算规则对最大拖曳力、最大惯性力、第一弯矩和第二弯矩进行计算，得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩。
[0138]
进一步地，利用计算规则对波浪力、第一弯矩和第二弯矩进行计算，得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩的步骤包括：
[0139]
s51、判断p
dmax
≤0.5p
imax
是否成立；
[0140]
s52、若成立，则采用如下公式计算波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩：
[0141]
p
max
＝p
imax
(18)
[0142]mmax
＝m
imax
(19)
[0143]
其中，p
max
为最大水平波浪力，m
max
为最大波浪弯矩；
[0144]
s53、若不成立，则采用如下公式计算波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在
桩基泥面处的最大波浪弯矩：
[0145][0146][0147]
进一步地，利用计算规则对波浪力、第一弯矩和第二弯矩进行计算，得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩的步骤之前，方法还包括：
[0148]
s5a、利用修正规则对波浪力和水平弯矩进行修正。
[0149]
在上述步骤s5a中，莫里森方程根本上说是理论和经验结合的公式，因此考虑一定的波浪非线性的影响，参照《港口航道与水文规范》(jts145-2015)对最大拖曳力、最大惯性力、第一弯矩和第二弯矩进行修正。
[0150]
进一步地，利用修正规则对波浪力和水平弯矩进行修正的步骤包括：
[0151]
s5a1、判断h
max
/d≤0.2且d/l《0.2是否成立，或者判断h
max
/d》0.2且d/l《0.35是否成立；
[0152]
s5a2、若成立，则将最大拖拽力乘以参数α进行修正，将最大惯性力乘以参数β进行修正；
[0153]
s5a3、判断0.04≤d/l≤0.2是否成立；
[0154]
s5a4、若成立，则将第一弯矩乘以参数γ
p
进行修正，将第二弯矩乘以参数γm进行修正。
[0155]
在上述步骤s5a1至步骤s5a4中，当h
max
/d≤0.2且d/l《0.2或h
max
/d》0.2且d/l《0.35时，将最大拖拽力乘以参数α进行修正，将最大惯性力乘以参数β进行修正，参数α和参数β的取值可参照《港口航道与水文规范》(jts145-2015)，具体地如图4和图5所示。当0.04≤d/l≤0.2时，将第一弯矩乘以参数γ
p
进行修正，将第二弯矩乘以参数γm进行修正，参数γ
p
和参数γm的取值可参照《港口航道与水文规范》(jts145-2015)，具体地如图6所示。
[0156]
在上述步骤s6中，破碎波对桩基作用力包含两个部分：一是准静态力，二是破碎波破碎后对桩基作用的冲击力，上述步骤已经计算出破碎波对基桩的准静态力，还需要计算破碎波破碎后对基桩的冲击力，可根据wienke和oumeraci提出的破碎波对桩基作用的冲击荷载公式计算波浪破碎后对桩基的冲击荷载，即根据公式(2)计算波浪破碎后对桩基的冲击荷载fs，而破碎波对桩基的作用区域高度为λη
max
，因此破碎波的冲击荷载对桩基作用中心点距离泥面高度h
l
由公式(4)计算，进一步地，要计算波浪作用下桩基承载水平变形，需要桩基泥面处的弯矩，因此根据公式(3)计算在冲击荷载作用下，桩基泥面处的冲击弯矩。
[0157]
在上述步骤s7中，破碎波对桩基作用力包含两个部分：一是准静态力，二是破碎波破碎后对桩基作用的冲击力，在得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩以及得到波浪破碎后对桩基的冲击荷载和冲击荷载对桩基泥面处形成的冲击弯矩之后，根据公式(5)计算得到桩基在泥面处所受水平总力，根据公式(6)计算得到桩基在泥面处所受的总弯矩。
[0158]
在上述步骤s8中，根据步骤s7得到破碎波作用在桩基泥面处水平总力和作用在桩基泥面处的总弯矩，即可根据m法计算破碎波作用下桩基泥面处水平变形，m法是在考虑桩土相互作用下计算桩基水平位移的一种方法，并且应用广泛。
[0159]
进一步地，基于水平总力和总弯矩，根据m法计算破碎波作用下桩基泥面处水平变形的步骤包括：
[0160]
s81、根据桩基的材料确定桩基材料的弹性模量；
[0161]
s82、根据桩基的尺寸确定桩基截面的惯性矩：
[0162][0163]
其中，i
p
为桩基截面的惯性矩，单位m4，d为桩基外径，d2为桩基内径；
[0164]
s83、基于桩基材料的弹性模量和桩基截面的惯性矩确定弹性桩长度：
[0165][0166]
其中，t为弹性桩长度，e
p
为桩基材料的弹性模量，单位kn/m2,e
p
为材料性能参数，通过桩基的材料的性质直接可以确定，m为基桩地基土的水平抗力系数随深度增长的比例系数，单位为kn/m4，b0为桩基换算宽度，取两倍基桩外径；
[0167]
s84、计算桩基桩身水平位移：
[0168][0169]
其中，y为桩基桩身泥面处的水平位移，单位m，ay、by为桩基水平位移无量纲系数，ay取2.411，by取1.621。
[0170]
基桩地基土的水平抗力系数随深度增长的比例系数m的值参照《码头结构设计规范》(jts167-2018)来取值，具体地，参照表1取值。
[0171]
表1
[0172][0173]
进一步地，基于所述最大波浪周期计算出波长，以及基于所述最大波高确定波峰高度的步骤之后，方法还包括：
[0174]
s2a、根据最大波高、波长和波数计算系数α，并判断系数α的值是否大于预设的判断值，其中系数α的计算公式如下：
[0175][0176]
其中，h
max
为最大波高，l为波长，k为波数，d为水深；
[0177]
s2b、若是，则判断波浪为破碎波，执行步骤s3至步骤s8。
[0178]
在上述步骤s2a至步骤s2b中，在计算破碎波作用在桩基泥面处水平总力和作用在桩基泥面处的总弯矩之前，先判断波浪是否为破碎波，若波浪为破碎波，则可以根据行步骤s3至步骤s8计算破碎波作用下桩基泥面处水平变形；若波浪是未破碎波浪，采用莫里森方程计算作用在桩基上的波浪力即可，此过程为现有方法，在此不再赘述。
[0179]
本发明还提供了一种破碎波作用下桩基水平变形计算系统，包括：
[0180]
获取模块，用于获取工程海域海况信息，海况信息至少包括最大波高以及最大波高对应的最大波浪周期；
[0181]
第一计算模块，用于基于最大波浪周期计算出波长和波数，以及基于最大波高确定波峰高度；
[0182]
第二计算模块，采用莫里森方程计算桩基所受的波浪力，波浪力包括最大拖曳力和最大惯性力；
[0183]
第三计算模块，用于计算最大拖曳力对桩基泥面处形成的第一弯矩，以及计算最大惯性力对桩基泥面处形成的第二弯矩；
[0184]
第四计算模块，用于利用计算规则对最大拖曳力、最大惯性力、第一弯矩和第二弯矩进行计算，得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩；
[0185]
第五计算模块，用于计算波浪破碎后对桩基的冲击荷载，以及计算冲击荷载对桩基泥面处形成的冲击弯矩，具体如下：
[0186][0187]fs
＝2πλη
max
ρrv
s2
(2)
[0188]ms
＝fs*h
l
(3)
[0189][0190]
其中，v为线性波波速，l为波长,t为最大波浪周期，fs为波浪破碎后对桩基的冲击荷载，λ为冲击力系数，ρ为海水密度，r为桩基的外径的半径，vs为破碎波波速，vs＝1.1v，ms为冲击弯矩，η
max
为波峰高度，d为水深；
[0191]
第六计算模块，用于计算作用在桩基泥面处水平总力和作用在桩基泥面处的总弯矩，具体如下：
[0192]
f＝p
max
+fs(5)
[0193]
m＝m
max
+ms(6)
[0194]
其中，f为作用在桩基泥面处额水平总力，p
max
为最大水平波浪力，m为作用在桩基泥面处的总弯矩，m
max
为最大波浪弯矩；
[0195]
第七计算模块，用于基于水平总力和总弯矩，根据m法计算破碎波作用下桩基泥面处水平变形。
[0196]
工程海域海况信息可基于在极端海况下，工程海域的多个小时的海浪统计信息中得到，获取模块从海浪统计信息中得出工程海域的有效波高和有效波高对应的有效周期，根据有效波高和有效波浪周期，计算最大波高和最大周期，具体如下：
[0197]hmax
＝1.86hs(22)
[0198]
t
max
＝0.92t
p
(23)
[0199]
其中，h
max
为最大波高，hs为有效波高，t
max
为最大波高对应的最大波浪周期，t
p
为有效波高对应的有效波浪周期。
[0200]
第一计算模块根据获取模块得到的最大周期，基于线性波理论和色散关系计算出对应的波长，并且可以计算出对应的波数，具体如下：
[0201][0202][0203]
其中，d为水深，k为波数，g为重力加速度，l为波长。
[0204]
同时根据获取模块得到的得到的最大波高，考虑波浪非线性影响，波峰高度和波谷高度不对称，波峰高度与最大波高的比值关系可参照《参照港口航道与水文规范》(jts145-2015)中的规定，如图3所示。根据最大波高和水深的比值，在图3中得到对应的波峰高度与最大波高的比值，在最大波高为已知的情况下，波峰高度为最大波高乘以波峰高度与最大波高的比值。
[0205]
破碎波对桩基作用力包含两个部分：一是准静态力，二是破碎波破碎后对桩基作用的冲击力。破碎波对桩基作用的准静态力即桩基受到的波浪力，第二计算模块采用莫里森方程计算桩基受到的波浪力。其中，桩基受到的波浪力由最大拖曳力和最大惯性力组成。
[0206]
进一步地，第二计算模块如下公式计算最大拖曳力和最大惯性力：
[0207]
p
dmax
＝0.5cdγdh
max2
k1(10)
[0208][0209]
p
imax
＝0.5cmγah
max
k2(12)
[0210][0211]
其中，p
dmax
为最大拖拽力，p
imax
为最大惯性力，h
max
为最大波高，cd为拖拽力系数，cm为惯性力系统，γ为海水的重度，a为桩基的横断面面积，d为桩基外径，k1和k2为系数，z为波峰高度η
max
。
[0212]
波浪作用在桩基上时是沿着桩基高度分布的，因此要计算波浪作用下桩基承载水平变形，即将波浪作用在桩基上的力转换到桩基泥面处时，波浪作用在桩基上的力转换为桩基泥面处的弯矩以及桩基泥面处水平力两部分，桩基泥面处即桩基位于泥面处的位置，因此在第二计算模块计算出桩基受到的波浪力之后，还需第三计算模块计算在最大拖曳力的作用下，桩基泥面处的第一弯矩，以及计算在最大惯性力的作用下，桩基泥面处的第二弯矩。
[0213]
进一步地，第三计算模块采用如下公式计算第一弯矩和第二弯矩：
[0214][0215]
[0216][0217][0218]
其中，m
dmax
为第一弯矩，m
imax
为第二弯矩，k3和k4为系数。
[0219]
为很好的评估极端海况下桩基安全储备强度，在考虑破碎波作用下桩基承载水平变形需按照最大的水平波浪力以及作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩来确定，因此第四计算模块利用预先设定的计算规则对最大拖曳力、最大惯性力、第一弯矩和第二弯矩进行计算，得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩。
[0220]
进一步地，第四计算模块包括：
[0221]
第一判断单元，用于判断p
dmax
≤0.5p
imax
是否成立；
[0222]
第一计算单元，若第一判断单元判断结构为成立，则采用如下公式计算波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩：
[0223]
p
max
＝p
imax
(18)
[0224]mmax
＝m
imax
(19)
[0225]
其中，p
max
为最大水平波浪力，m
max
为最大波浪弯矩；
[0226]
第二计算单元，若第一判断单元判断结构为不成立，则采用如下公式计算波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩：
[0227][0228][0229]
进一步地，第四计算模块之前，系统还包括：
[0230]
修正模块，用于利用修正规则对波浪力和水平弯矩进行修正。
[0231]
莫里森方程根本上说是理论和经验结合的公式，因此考虑一定的波浪非线性的影响，修正模块参照《港口航道与水文规范》(jts145-2015)对最大拖曳力、最大惯性力、第一弯矩和第二弯矩进行修正。
[0232]
进一步地，修正模块包括：
[0233]
第二判断单元，用于判断h
max
/d≤0.2且d/l《0.2是否成立，或者判断h
max
/d》0.2且d/l《0.35是否成立；
[0234]
第一修正单元，若第二判断单元的判断结果为成立，则将最大拖拽力乘以参数α进行修正，将最大惯性力乘以参数β进行修正；
[0235]
第三判断单元，用于判断0.04≤d/l≤0.2是否成立；
[0236]
第二修正单元，若第三判断单元的判断结果为成立，则将第一弯矩乘以参数γ
p
进行修正，将第二弯矩乘以参数γm进行修正。
[0237]
当第二判断单元判断h
max
/d≤0.2且d/l《0.2或h
max
/d》0.2且d/l《0.35时，第一修正单元将最大拖拽力乘以参数α进行修正，将最大惯性力乘以参数β进行修正，参数α和参数β的取值可参照《港口航道与水文规范》(jts145-2015)，具体地如图4和图5所示。当第三判断单元判断0.04≤d/l≤0.2时，第二修正单元将第一弯矩乘以参数γ
p
进行修正，将第二弯矩
乘以参数γm进行修正，参数γ
p
和参数γm的取值可参照《港口航道与水文规范》(jts145-2015)，具体地如图6所示。
[0238]
破碎波对桩基作用力包含两个部分：一是准静态力，二是破碎波破碎后对桩基作用的冲击力，上述第四计算模块已经计算出破碎波对基桩的准静态力，还需要第五计算模块计算破碎波破碎后对基桩的冲击力，可根据wienke和oumeraci提出的破碎波对桩基作用的冲击荷载公式计算波浪破碎后对桩基的冲击荷载，即根据公式(2)计算波浪破碎后对桩基的冲击荷载fs，而破碎波对桩基的作用区域高度为λη
max
，因此破碎波的冲击荷载对桩基作用中心点距离泥面高度h
l
由公式(4)计算，进一步地，要计算波浪作用下桩基承载水平变形，需要桩基泥面处的弯矩，因此根据公式(3)计算在冲击荷载作用下，桩基泥面处的冲击弯矩。
[0239]
破碎波对桩基作用力包含两个部分：一是准静态力，二是破碎波破碎后对桩基作用的冲击力，在第四计算模块得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩以及第五计算模块得到波浪破碎后对桩基的冲击荷载和冲击荷载对桩基泥面处形成的冲击弯矩之后，第六计算模块根据公式(5)计算得到桩基在泥面处所受水平总力，根据公式(6)计算得到桩基在泥面处所受的总弯矩。。
[0240]
在第六计算模块得到破碎波作用在桩基泥面处水平总力和作用在桩基泥面处的总弯矩，第七计算模块即可根据m法计算破碎波作用下桩基泥面处水平变形，m法是在考虑桩土相互作用下计算桩基水平位移的一种方法，并且应用广泛。
[0241]
进一步地，第七计算模块包括：
[0242]
第一确定单元，用于根据桩基的材料确定桩基材料的弹性模量；
[0243]
第二确定单元，根据桩基的尺寸确定桩基截面的惯性矩：
[0244][0245]
其中，i
p
为桩基截面的惯性矩，单位m4，d为桩基外径，d2为桩基内径；
[0246]
第三确定单元，用于基于桩基材料的弹性模量和桩基截面的惯性矩确定弹性桩长度：
[0247][0248]
其中，t为弹性桩长度，e
p
为桩基材料的弹性模量，单位kn/m2，e
p
为材料性能参数，通过桩基的材料的性质直接可以确定，m为基桩地基土的水平抗力系数随深度增长的比例系数，单位为kn/m4，b0为桩基换算宽度，取两倍基桩外径；
[0249]
第三计算单元，用于计算桩基桩身水平位移：
[0250][0251]
其中，y为桩基桩身泥面处的水平位移，单位m，ay、by为桩基水平位移无量纲系数，ay取2.411，by取1.621。
[0252]
基桩地基土的水平抗力系数随深度增长的比例系数m的值参照《码头结构设计规范》(jts167-2018)来取值，具体地，参照表1取值。
[0253]
进一步地，第一计算模块之后，系统还包括：
[0254]
判断模块，用于根据最大波高、波长和波数计算系数α，并判断系数α的值是否大于预设的判断值，其中系数α的计算公式如下：
[0255][0256]
其中，h
max
为最大波高，l为波长，k为波数，d为水深；
[0257]
执行模块，若判断模块的判断结果为是，则执行第二计算模块至第七计算模块。
[0258]
在计算破碎波作用在桩基泥面处水平总力和作用在桩基泥面处的总弯矩之前，先通过判断模块判断波浪是否为破碎波，若波浪为破碎波，则执行模块执行执行第二计算模块至第七计算模块，以计算破碎波作用下桩基泥面处水平变形；若波浪是未破碎波浪，采用莫里森方程计算作用在桩基上的波浪力即可，此过程为现有方法，在此不再赘述
[0259]
请结合参阅图7，图7为本发明设备一实施例的结构示意框图。本技术实施例中还提供一种设备，该设备可以是计算机或服务器，其内部结构可以如图3所示。该设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设计的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机可读指令和数据库。该内存器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机可读指令的运行提供环境。该设备的数据库用于存储配置项信息等数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机可读指令在执行时，执行如上述各方法的实施例的流程。本领域技术人员可以理解，图3中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定。
[0260]
本技术一实施例还提供一种计算机非易失性可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，该计算机可读指令在执行时，执行如上述各方法的实施例的流程，包括：s1、获取工程海域海况信息，海况信息至少包括最大波高以及最大波高对应的最大波浪周期；s2、基于最大波浪周期计算出波长，以及基于最大波高确定波峰高度；s3、采用莫里森方程计算桩基所受的波浪力，波浪力包括最大拖曳力和最大惯性力；s4、计算最大拖曳力对桩基泥面处形成的第一弯矩，以及计算最大惯性力对桩基泥面处形成的第二弯矩；s5、利用计算规则对波浪力、第一弯矩和第二弯矩进行计算，得到波浪对桩基作用的最大水平波浪力和作用在桩基泥面处的最大波浪弯矩；s6、计算波浪破碎后对桩基的冲击荷载，以及计算冲击荷载对桩基泥面处形成的冲击弯矩；s7、计算作用在桩基泥面处水平总力和作用在桩基泥面处的总弯矩；s8、基于水平总力和总弯矩，根据m法计算破碎波作用下桩基泥面处水平变形。
[0261]
相比于现有技术，本发明的有益效果为：计算方式简便，通过理论计算得到破碎波作用下，桩基泥面处水平位移情况，能够简便的实现破碎波作用下桩基承载水平变形的计算，从而能够很好的评估极端海况下桩基安全储备强度，为海洋和海岸工程结构设计提供支撑。
[0262]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的和实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可以包括只读存储器(rom)、可编程rom
(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双速据率sdram(ssrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0263]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
[0264]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。