CN117604972A - 一种基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤 - Google Patents

Abstract

本发明属于近海岸工程装备设计制造技术领域，公开了一种基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤，包括亥姆霍兹共振腔防波堤主体、桩基、无动力升降限位辅助装置。防波堤主体受潮汐或波浪影响，海平面高度变化导致浮力变化，通过无动力升降限位辅助装置实现升降调节，实现无动力自我位置调整保证其消波功效。桩基上的限位孔与限位平台，将防波堤主体位置进行约束限制。本发明利用亥姆霍兹共振腔，采用多个亥姆霍兹共振腔周期排布形成的局域共振型人工周期结构，可增加消波频段,亥姆霍兹共振原理的周期排布防波堤是一种有效对长波减振消波的方式，其结构简单，性能优异，模块化性能强，体积相同的亥姆霍兹共振腔周期排布时吸波性能显著提高。

Description

一种基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤

技术领域

本发明属于近海岸工程装备设计制造技术领域，具体涉及一种基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤。

背景技术

防波堤是一种用于抵御外海波浪、冰凌、泥沙入侵，维护港内水域平稳，保证船舶安全作业环境的港工建筑物。防波堤的传统形式大致可分为：斜坡式、直立式，混合式。设计的思路主要靠堤身断面重量来抵抗波浪，最大程度减弱堤后港池水域波高，达到船舶正常作业标准。传统意义上的防波堤存在造价高、耗材多、技术复杂、环境影响较大等缺点。另一方面，防波堤的堤身阻碍了外海和港池之间水体的交换，形成封闭水域，导致海水水质变差，破坏了附近海域生态系统。海岸与港口开发理念正在向“绿色开发”转变，使得传统意义上的防波堤难以适应目前港口发展。因此，浮式防波堤结构因其较高的生态特性及经济性，现在被越来越多的应用在防波堤工程中。

随着港口码头建设逐渐走向外海，部分海外港域受到中长周期波作用，这种中长周期波具有周期长(普遍在10s以上)，波能较大、防波堤难阻挡的特点，极易对港域内船只造成危害。但目前设计规范中对于港域内系泊船舶泊稳性限制大多以限制港域内波高、风速为主。为此，充分考虑外部荷载以及系泊系统的影响，研究中长周期波作用下系泊船舶泊稳性，对于提升港口码头船只作业的效率及安全性具有重大意义。

亥姆霍兹共振器是史上第一个声音“频谱分析器”，随着理论的持续发展和升学技术的快速进步，它更成为了放大、扩声、吸声的常用仪器，现今亥姆霍兹共振器除了在乐器制造、建筑噪声控制、工业技术优化等传统领域依然发挥着重大作用，更是以单个或阵列的形式在防波堤消波，能量采集，汽车排气系统、喷气发动机和空调管道系统等方面有了更加广泛的应用。采用多个亥姆霍兹共振器周期排布形成的局域共振型人工周期结构，可增加消波频段,以其优秀的减振消波效果，逐渐成为中长波消波控制领域的研究热点。

发明内容

本发明为了加强对近海岸地区及港口周边海域作业掩护，加强对中长波的减震消波效果，本发明旨在提出一种基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤。

本发明的技术方案：

一种基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤，包括亥姆霍兹共振腔防波堤主体、桩基和无动力升降限位辅助装置；

所述亥姆霍兹共振腔防波堤主体包括亥姆霍兹共振腔主体结构、主体限位器和防波堤上部透空盖，防波堤上部透空盖放置在亥姆霍兹共振腔主体结构上预备的安置口与加强筋上；主体限位器为阶梯柱体，中间为大圆柱，两端为小圆柱，其安装在亥姆霍兹共振腔防波堤主体四个角落；亥姆霍兹共振腔主体结构与防波堤上部透空盖分离，由于长时间工作，需要清理防波堤主体亥姆霍兹共振腔内部堆积的海洋生物与海洋污染物，将防波堤上部透空盖与亥姆霍兹共振腔主体结构分离更方便维护，防波堤上部透空盖上的透空孔可以保证防波堤主体亥姆霍兹共振腔内部气流排出，并可作为拆卸时的吊装孔。

亥姆霍兹共振腔主体结构包括防波堤主体结构空腔加强筋与钢板蒙皮、防波堤主体结构纵向加强筋与钢板蒙皮、防波堤主体亥姆霍兹共振腔，亥姆霍兹共振腔主体结构为方形框体结构围成的防波堤主体亥姆霍兹共振腔，防波堤主体亥姆霍兹共振腔的四角处设置加强筋与钢板蒙皮，防波堤主体亥姆霍兹共振腔上方设置加强筋与钢板蒙皮；

亥姆霍兹共振腔防波堤主体具有防波堤主体亥姆霍兹共振腔，海浪传递至防波堤主体亥姆霍兹共振腔，利用波列间干涉削能与紊动消波原理，防波堤主体亥姆霍兹共振腔内的流体作质量振动，壁面反射对流体产生恢复力，在亥姆霍兹共振腔防波堤主体的消波基础增加波浪的扩散和耗散。

桩基主要由立式桩柱、斜向加强桩柱、防波堤升降限位平台和桩基承台组成，桩基由立式桩柱和斜向加强桩柱插入海底并固定在工作区域；防波堤升降限位平台分为上升降限位平台和下升降限位平台，下升降限位平台与立式桩柱由钢筋混凝土一体浇筑成型，上升降限位平台与桩基承台一体成型；斜向加强桩柱安装在上升降限位平台作为柱基整体加强支撑结构，保证亥姆霍兹共振腔透空式防波堤位置牢靠稳定；桩基承台上设置有滑道和滑轨；

主体限位器与防波堤升降限位平台配合安装，主体限位器的两端小圆柱分别穿过上升降限位平台和下升降限位平台上的限位孔，限制防波堤在水平面方向的运动，主体限位器的大圆柱受防波堤升降限位平台约束，限制防波堤垂荡区间；在近海海平面水位受潮汐或波浪影响过程中，在浮力作用下，防波堤通过主体限位器与无动力升降限位辅助装置配合，能够自由调整实现上下位移和限制，对消波工作起到良好的维持与调节作用。

无动力升降限位辅助装置包括两对长连杆分别为第一对连杆与第三对连杆、一对短连杆为第二对连杆、轴承、钢轮、传动杆；第一对连杆与桩基承台上的铰接支座与带滑轨的滑道连接，第三对连杆与主体上的铰接支座与带滑轨的滑道连接，第一对连杆与第三对连杆分别与第二对连杆连接；钢轮通过轴承安装在第一对连杆与第三对连杆的同侧连杆上；三对连杆之间通过传动杆连接。无动力升降限位辅助装置工作时，通过三对连杆实现调节，第一对连杆与第三对连杆分别连接防波堤本体与防波堤升降限位平台，第二对连杆长度较短，当第二对连杆紧靠第一对连杆时实现最高位限位，由桩基和防波堤本体滑轨限制无动力升降限位辅助装置最大伸长量，实现最低位限位，防止垂荡运动时大圆柱对上升降限位平台和下升降限位平台过度撞击，分散受力保护桩基主体。

进一步的，该亥姆霍兹共振腔防波堤工作的过程中，可以利用自身浮力变化实现工作高度调节，使得整体防波堤结构无动力工作。

相比于现有技术，本发明的有益效果：

1、现有的防波堤对于中长波消波能力有所不足，亥姆霍兹共振腔在防波堤本身的消波基础增加波列间干涉削能与紊动消波，加强波浪的扩散和耗散。

2、本发明除了可实现防波堤自由升降，设计的限位装置将防波堤工作区域进行约束，能够辅助减少防波堤与柱基的碰撞，减少防波堤垂荡运动对柱基的冲击，保证工作结构安全稳定。

3、透空式防波堤未阻碍外海和港池之间水体的交换，相较于传统固定式防波堤具有更好的生态特性及经济性。

本发明所提供的一种基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤，能够实现工作高度区间自由调整，亥姆霍兹共振腔防波堤与透空式结构相配合，实现对中长波有效消波，提高了近海与港口的安全和效率。

附图说明

图1为亥姆霍兹共振腔透空式防波堤总装配示意图；

图2为本发明所述亥姆霍兹共振腔防波堤主体结构示意图；

图3为本发明所述防波堤上部透空盖结构示意图；

图4为本发明所述亥姆霍兹共振腔防波堤纵向切面结构示意图；

图5为本发明所述桩基结构示意图；

图6为本发明所述无动力升降限位辅助装置结构示意图。

图7为本发明所述无动力升降限位辅助装置，短连杆转动后两端紧靠最小延展高度示意图。

图中：1亥姆霍兹共振腔防波堤主体、1-1亥姆霍兹共振腔主体结构、1-1-1防波堤主体结构空腔加强筋与钢板蒙皮、1-1-2防波堤主体结构纵向加强筋与钢板蒙皮、1-1-3防波堤主体亥姆霍兹共振腔、1-2主体限位器、1-3主体上的铰接支座与带滑轨的滑道、1-4防波堤上部透空盖、1-5防波堤上部透空孔、2桩基、2-1立式桩柱、2-2斜向加强桩柱、2-3桩基承台、2-4防波堤升降限位平台、2-5柱基承台上的铰接支座、2-6-1柱基承台上的滑道、2-6-2滑道上的滑轨、3无动力升降限位辅助装置、3-1-1第一对连杆长、3-1-2第二对连杆短、3-1-3第三对连杆长、3-2轴承与转动杆、3-3轴承与钢轮。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。该发明可自由调整防波堤工作高度区间，提高对中长波有效消波效果。

本发明所提供的是一种基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤，亥姆霍兹共振腔防波堤主体1、亥姆霍兹共振腔主体结构1-1、主体限位器1-2、主体上的铰接支座与带滑轨的滑道1-3、防波堤上部透空盖1-4，防波堤主体结构为钢板蒙皮加加强筋，防波堤质量小，结构轻便对主体限位器结构强度要求较低，为方便清洗共振腔内部，防波堤上部透空盖为可拆卸结构，可通过防波堤上部透空孔1-5进行吊装，亥姆霍兹共振腔在防波堤本身的消波基础增加波列间干涉削能与紊动消波，加强波浪的扩散和耗散，提高了对中长波的消波效果。

透空式防波堤桩基2与立式桩柱2-1、斜向加强桩柱2-2、桩基承台2-3、防波堤升降限位平台2-4相连，防波堤升降限位平台2-4与主体限位器1-2相连接，桩基承台2-3与柱基承台上的铰接支座2-5和滑道上的滑轨2-6-2相连，铰接支座安装在桩基承台下表面。防波堤升降限位平台限制防波堤上下移动区间，主体限位器小半径限位柱穿过限位平台上的限位孔，限制防波堤在水平面方向的运动，防波堤大半径限位柱受限位平台约束，限制防波堤垂荡区间。

无动力升降限位辅助装置3由第一对连杆长3-1-1、第二对连杆短3-1-2、第三对连杆长3-1-3组成，连杆间由轴承与转动杆3-2相连，轴承与钢轮3-3安装在第一对连杆长与第三对连杆长同侧连杆顶端转动杆上，配合主体上的铰接支座与带滑轨的滑道1-3与滑道上的滑轨2-6-2运动，短连杆转动后两端紧靠为结构最小延展高度，即防波堤垂荡最大高度，长连杆钢轮顶在远离立柱的滑轨尽头时为结构最大延展高度，即防波堤垂荡最小高度，连杆具体长度可根据具体工作海况进行调整。

工作原理：当海况为中长波时，利用亥姆霍兹共振腔对穿透防波堤前壁面的透射波进行二次投射与腔体内部反射，腔体内的流体作质量振动，壁面反射对流体产生恢复力，加强波浪的扩散和耗散，有效减小中长波的透射。由于潮汐与波浪将改变防波堤工作区域的水深或引起海面波动，防波堤本体在浮力作用下自由调节工作区域，通过桩基结构限制运动范围，保证其有效工作区间。

本实例中亥姆霍兹共振腔透空式防波堤还可根据掩护海域长度并排安装个相同的防波堤结构，具有同等效果。本实例中，采用多个亥姆霍兹共振腔透空式防波堤周期排布形成的局域共振型人工周期结构，可增加消波频段。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤，其特征在于，该基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤包括亥姆霍兹共振腔防波堤主体、桩基和无动力升降限位辅助装置；

亥姆霍兹共振腔防波堤主体包括亥姆霍兹共振腔主体结构、主体限位器和防波堤上部透空盖，防波堤上部透空盖放置在亥姆霍兹共振腔主体结构上预备的安置口与加强筋上；主体限位器为阶梯柱体，中间为大圆柱，两端为小圆柱，其安装在亥姆霍兹共振腔防波堤主体四个角落；

桩基主要由立式桩柱、斜向加强桩柱、防波堤升降限位平台和桩基承台组成，桩基由立式桩柱和斜向加强桩柱插入海底并固定在工作区域；防波堤升降限位平台分为上升降限位平台和下升降限位平台，下升降限位平台与立式桩柱由钢筋混凝土一体浇筑成型，上升降限位平台与桩基承台一体成型；斜向加强桩柱安装在上升降限位平台作为柱基整体加强支撑结构，保证亥姆霍兹共振腔透空式防波堤位置牢靠稳定；桩基承台上设置有滑道和滑轨；

无动力升降限位辅助装置包括两对长连杆分别为第一对连杆与第三对连杆、一对短连杆为第二对连杆、轴承、钢轮、传动杆；第一对连杆与桩基承台上的铰接支座与带滑轨的滑道连接，第三对连杆与主体上的铰接支座与带滑轨的滑道连接，第一对连杆与第三对连杆分别与第二对连杆连接；钢轮通过轴承安装在第一对连杆与第三对连杆的同侧连杆上；三对连杆之间通过传动杆连接。

2.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤，其特征在于，所述亥姆霍兹共振腔主体结构包括防波堤主体结构空腔加强筋与钢板蒙皮、防波堤主体结构纵向加强筋与钢板蒙皮、防波堤主体亥姆霍兹共振腔，亥姆霍兹共振腔主体结构为方形框体结构围成的防波堤主体亥姆霍兹共振腔，防波堤主体亥姆霍兹共振腔的四角处设置加强筋与钢板蒙皮，防波堤主体亥姆霍兹共振腔上方设置加强筋与钢板蒙皮。

3.根据权利要求1所述的基于亥姆霍兹水波共振腔的高效型浮式防波堤，其特征在于，所述主体限位器与防波堤升降限位平台配合安装，主体限位器的两端小圆柱分别穿过上升降限位平台和下升降限位平台上的限位孔，限制防波堤在水平面方向的运动，主体限位器的大圆柱受防波堤升降限位平台约束，限制防波堤垂荡区间。