海上打桩的声波影响计算及控制方法与流程

1.本发明涉及海上打桩施工对环境影响领域，具体为海上打桩的声波影响计算及控制方法。


背景技术：

2.目前，大型桥梁桩基础一般采用大直径钻孔桩设计，大直径钻孔桩在施工过程中需要用到大直径钢护筒。桥梁水中桩基施工时需要向水下插打钢护筒进行钻孔施工，钢护筒为钻孔桩施工最为重要的辅助结构。
3.现有技术中通过锤击钢护筒进入海底土层或岩层，再浇入混凝土，是建造跨海大桥桥墩的常用方法。然而，沿纵向锤击钢护筒时，由于钢护筒的泊松效应，会向海水中辐射声波，声波对鱼类存在影响，因此需要海上打桩的声波影响计算方法以及控制方法来计算以及应对海上打桩所带来的问题以及解决方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供海上打桩的声波影响计算及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.海上打桩的声波影响计算方法，包括步骤：
7.步骤一：计算打击力的声压，声压计为：p(t)＝2.1*1e8*exp(-t/0.004)，p(t)的单位为pa；
8.步骤二：计算冲击力，冲击力随时间递减，冲击力计为：f＝p(t)*a；
9.步骤三：设定打击力的时间波形为f(t)，桩外径为d，取0.8m，泊松比为v，取0.33，则钢管桩的径向位移u为：式中，a，e分别为桩的横截面积和纵弹性系数；
10.步骤四：计算径向速度，桩的径向速度为u的时间导数，列式为：
[0011][0012]
式中z为钢管的机械阻抗，z＝ae/cp；
[0013]
步骤五：建立锤头速度模型：
[0014][0015]
式中v(t)是撞击力引发的质点振动速度；
[0016]
步骤六：获取声音功率，声音的功率为：
[0017][0018]
式中ρ，c分别为水密度1000kg/m3和水中声速1500m/s，它们的乘积为声阻抗；
[0019]
由于打击力随时间单调递减，只需要考虑打击瞬间的声压对鱼群干扰，取w的最大值作为控制值，列式为：
[0020][0021]
步骤七：由纵向冲击引起的纵向应变为：
[0022][0023]
步骤八：由钢管泊松效应产生的横向应变为：
[0024][0025]
步骤九：由钢管泊松效应产生的横向应力为：
[0026]
σ2＝esε2[0027]
步骤十：由于纤维布包裹界面上的横向应力连续条件，纤维布中的应力也为σ2，故纤维布约束后的横向应变为：
[0028][0029]
步骤十一：故纤维布约束后钢套筒的等效泊松比为：
[0030]
本发明还提供了海上打桩的声波影响控制方法，包括步骤：
[0031]
步骤一：裁剪纤维布条带，根据设计裁剪宽度为200mm的纤维布条带，根据一次可施工长度盘卷相应纤维条带；
[0032]
步骤二：打磨钢管，采用抛光打磨机对钢管内表面和外表面均进行打磨除锈，利用鼓风机将打磨过后的钢管表面清理干净；
[0033]
步骤三：划线定位，在钢管外表面利用非水洗笔进行划线定位，划线位置根据设计图纸从钢管入水端进行；
[0034]
步骤四：纤维布条带浸渍树脂，现场制备浸渍所需的环氧树脂，树脂制备量为最小施工单元用量，现场温度宜在20-30℃，对一次施工所需的条带进行浸渍；
[0035]
步骤五：缠绕纤维布，根据定位线，将浸渍后的纤维布条带粘贴缠绕在钢管表面；
[0036]
步骤六：固化，常温固化24小时，避免接触水。
[0037]
优选的，纤维布为单向碳纤维布。
[0038]
优选的，步骤五中缠绕方式为45度连续缠绕和水平环向分段缠绕任一。
[0039]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0040]
本发明通过计算并控制海上打桩产生的声波影响范围，对跨海大桥施工的环境评价至关重要的。本发明提出了冲击力模型，及冲击力作用下，钢护筒泊松效应引发的横向振动模型，并采用纤维布缠绕钢护筒，提升钢护筒横向抵抗变形的能力，降低钢护筒的泊松效应，从而减小对周边鱼类的影响，本发明的方案对海上打桩施工对环境影响方向有深远影响。
附图说明
[0041]
图1为本发明实施例2中控制方法流程图；
[0042]
图2为本发明实施例2中未采用处理措施时声压随距离的变化曲线图；
[0043]
图3为本发明实施例2中采用处理措施时声压随距离的变化曲线图。
具体实施方式
[0044]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
[0045]
实施例1：本发明提供一种技术方案：海上打桩的声波影响计算方法，包括步骤：
[0046]
步骤一：计算打击力的声压，声压计为：p(t)＝2.1*1e8*exp(-t/0.004)，p(t)的单位为pa；
[0047]
步骤二：计算冲击力，冲击力随时间递减，冲击力计为：f＝p(t)*a；
[0048]
步骤三：设定打击力的时间波形为f(t)，桩外径为d，取0.8m，泊松比为v，取0.33，则钢管桩的径向位移u为：式中，a，e分别为桩的横截面积和纵弹性系数；
[0049]
步骤四：计算径向速度，桩的径向速度为u的时间导数，列式为：
[0050][0051]
式中z为钢管的机械阻抗，z＝ae/cp；
[0052]
步骤五：建立锤头速度模型：
[0053][0054]
式中v(t)是撞击力引发的质点振动速度；
[0055]
步骤六：获取声音功率，声音的功率为：
[0056][0057]
式中ρ，c分别为水密度1000kg/m3和水中声速1500m/s，它们的乘积为声阻抗；
[0058]
由于打击力随时间单调递减，只需要考虑打击瞬间的声压对鱼群干扰，取w的最大值作为控制值，列式为：
[0059][0060]
步骤七：由纵向冲击引起的纵向应变为：
[0061][0062]
步骤八：由钢管泊松效应产生的横向应变为：
[0063][0064]
步骤九：由钢管泊松效应产生的横向应力为：
[0065]
σ2＝esε2[0066]
步骤十：由于纤维布包裹界面上的横向应力连续条件，纤维布中的应力也为σ2，故纤维布约束后的横向应变为：
[0067][0068]
步骤十一：故纤维布约束后钢套筒的等效泊松比为：
[0069]
在本实施例中，基于上述计算方法采用直径4.4m厚3.6cm长约100m的钢护筒，施工时在顶端约800吨冲击下打入基岩，生产冲击波在水中扩散影响鱼类生物。需要在护筒水中部分外表凃或贴吸收波材料，控制波在水中影响范围不超400m,最好能200m内。
[0070]
实施参数如下：
[0071]
水的密度：1000kg/m3；
[0072]
水中声速：1500m/s；
[0073]
钢管直径：4.4m；
[0074]
钢管厚度：3.6cm；
[0075]
钢管泊松比：0.33；
[0076]
钢管纵弹模：200gpa；
[0077]
钢管露出海底长度：100m；
[0078]
钢管内纵波速度cp：5900m/s；
[0079]
锤头质量：800吨；
[0080]
锤头撞击钢管时初速度：6m/s；
[0081]
经模型试验得出：1个月幼苗和8个月小鱼的声波敏感频率分别为800hz和600hz，直接致死的声压阈值约为40pa和4kpa。13个月大鱼的声波敏感频率也在600hz，但当声压达到4kpa时，鱼群受惊吓明显，且未能直接致死。
[0082]
声压随距离的变化曲线如图2所示：
[0083]
基于此可知，未采用处理措施时，对8个月鱼苗的致死范围为164m。
[0084]
实施例2：实施例2的方案是针对实施例1的计算结果进行控制的一种实施方式。
[0085]
控制实施过程如下：
[0086]
在现场对钢管缠绕纤维条带，采用环氧树脂湿法施工，条带宽度为200mm，间距为150mm，纤维布层数为2。缠绕方式分为两种：缠绕角度分为45
°
连续缠绕和水平环向分段缠绕(搭接长度为150mm)。
[0087]
如图1所示，具体施工步骤如下：
[0088]
步骤一：裁剪纤维布条带：根据设计裁剪宽度为200mm的纤维布条带，根据一次可施工长度盘卷相应纤维条带；
[0089]
步骤二：打磨钢管：采用抛光打磨机对钢管内表面和外表面均进行打磨除锈，利用鼓风机将打磨过后的钢管表面清理干净；
[0090]
步骤三：划线定位：在钢管外表面利用非水洗笔进行划线定位，划线位置根据设计图纸从钢管入水端进行；
[0091]
步骤四：纤维布条带浸渍树脂：现场制备浸渍所需的环氧树脂，树脂制备量为最小施工单元用量，现场温度宜在20-30℃，对一次施工所需的条带进行浸渍；
[0092]
步骤五：缠绕纤维布：根据定位线，将浸渍后的纤维布条带粘贴缠绕在钢管表面；
[0093]
步骤六：固化：常温固化24小时，避免接触水。
[0094]
基于实施例2的控制方式后，并重复上述计算(实施例1计算)试验可知：
[0095]
采用处理措施时，对8个月鱼苗的致死范围扩大至204m(如图3所示)。
[0096]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.海上打桩的声波影响计算方法，其特征在于，包括步骤：步骤一：计算打击力的声压，声压计为：p(t)＝2.1*1e8*exp(-t/0.004)，p(t)的单位为pa；步骤二：计算冲击力，冲击力随时间递减，冲击力计为：f＝p(t)*a；步骤三：设定打击力的时间波形为f(t)，桩外径为d，取0.8m，泊松比为v，取0.33，则钢管桩的径向位移u为：式中，a，e分别为桩的横截面积和纵弹性系数；步骤四：计算径向速度，桩的径向速度为u的时间导数，列式为：式中z为钢管的机械阻抗，z＝ae/cp；步骤五：建立锤头速度模型：式中v(t)是撞击力引发的质点振动速度；步骤六：获取声音功率，声音的功率为：式中ρ，c分别为水密度1000kg/m3和水中声速1500m/s，它们的乘积为声阻抗；由于打击力随时间单调递减，只需要考虑打击瞬间的声压对鱼群干扰，取w的最大值作为控制值，列式为：步骤七：由纵向冲击引起的纵向应变为：步骤八：由钢管泊松效应产生的横向应变为：步骤九：由钢管泊松效应产生的横向应力为：σ2＝e
s
ε2步骤十：由于纤维布包裹界面上的横向应力连续条件，纤维布中的应力也为σ2，故纤维布约束后的横向应变为：步骤十一：故纤维布约束后钢套筒的等效泊松比为：2.根据权利要求1所述的海上打桩的声波影响控制方法，其特征在于：包括步骤：
步骤一：裁剪纤维布条带，根据设计裁剪宽度为200mm的纤维布条带，根据一次可施工长度盘卷相应纤维条带；步骤二：打磨钢管，采用抛光打磨机对钢管内表面和外表面均进行打磨除锈，利用鼓风机将打磨过后的钢管表面清理干净；步骤三：划线定位，在钢管外表面利用非水洗笔进行划线定位，划线位置根据设计图纸从钢管入水端进行；步骤四：纤维布条带浸渍树脂，现场制备浸渍所需的环氧树脂，树脂制备量为最小施工单元用量，现场温度宜在20-30℃，对一次施工所需的条带进行浸渍；步骤五：缠绕纤维布，根据定位线，将浸渍后的纤维布条带粘贴缠绕在钢管表面；步骤六：固化，常温固化24小时，避免接触水。3.根据权利要求2所述的海上打桩的声波影响控制方法，其特征在于：所述纤维布为单向碳纤维布。4.根据权利要求2所述的海上打桩的声波影响控制方法，其特征在于：所述步骤五中缠绕方式为45度连续缠绕和水平环向分段缠绕任一。

技术总结
本发明公开了海上打桩的声波影响计算及控制方法，计算方法采用冲击力模型以及及冲击力作用下，钢护筒泊松效应引发的横向振动模型，并采用纤维布缠绕钢护筒，提升钢护筒横向抵抗变形的能力，降低钢护筒的泊松效应，从而减小对周边鱼类的影响。减小对周边鱼类的影响。减小对周边鱼类的影响。


技术研发人员：吴智深 王子健
受保护的技术使用者：南京智慧基础设施技术研究院有限公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/9/5