群桩是支撑海上建筑物的一种重要的基础结构形式，其在海洋中通常受到波浪、潮汐、海流等多种因素的影响。其中，波浪荷载通常是群桩结构在设计时需要考虑的主要荷载之一。在开敞海域，作用在群桩结构上的真实海浪为多向不规则波浪，多向波的方向分布对群桩结构所受的波浪力具有明显的影响，但是目前多向不规则波与多桩组成的群桩结构作用的水动力机理仍不明确。
日前，柳淑学教授团队开展了多向不规则波作用下群桩结构波浪力特性的系统研究，并取得了重要进展。试验分析了群桩波浪力统计特性和群桩效应以及概率分布特性，综合考虑KC1/3数和相对桩径D/L的影响，提出了一个新的参数KCLD1/3数，可以更好地描述多桩组成的群桩结构的群桩效应变化。首次发现群桩的不规则波浪力具有显著的群性特征，提出了波浪力群性的概念。探究了波浪力群性特征参数与群桩波浪力概率分布之间的关系，即随着波浪力群性的增强，大波浪力的发生概率增大。
(a) 正向力 (b) 横向力
图 1 多向波浪作用时并列群桩波浪力群桩系数随KCLD1/3数的变化、波浪力桩位分布和概率分布
研究还结合数值模型探究了群桩水动力特性机理，对群桩结构周围的复杂流场结构进行分析。研究发现，由于波浪方向分布的影响，波浪的速度场、压力场和桩柱周围涡脱落的形态都与单向波作用时有很大差异。此时流体通过两桩之间的缝隙时的加速效应较弱，桩两侧的速度差相对较小。横向力中不同方向波浪产生的波浪力在横向力方向上的分量是构成横向力的主要组成成分，此时横向力的频率降低，与正向力频率趋于一致。
图 2 多向波作用下不同时刻并列群桩涡量云图
研究成果发表在海洋工程领域顶级期刊《Coastal Engineering》上，文章的第一作者是海洋工程研究所博士后张昊宸，通讯作者是柳淑学教授。合作作者还包括李金宣副教授和博士生郝健，该研究工作得到国家自然科学基金(51579038; 51739010; 51879037)的支持。
全文链接：sciencedirect.com/science/article/pii/S0378383921000120
sciencedirect.com/science/article/pii/S0378383918303466
