水中結(jié)構(gòu)振動特性的實驗研究*

楊吉新 秦延飛 劉素云 陳海平

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (廣東省冶金建筑設(shè)計研究院2) 廣州 510300)

內(nèi)陸江河水庫工程中有一些水中結(jié)構(gòu)如大壩、橋墩等,這些水中結(jié)構(gòu)受到動荷載作用時將會產(chǎn)生振動.這種振動通過對界面的激勵,在水中產(chǎn)生附加的動水壓力,而附加的動水壓力又通過界面引起結(jié)構(gòu)的動力響應.此類水-結(jié)構(gòu)的耦合振動作用是一個比較復雜的過程,相應的研究還有待深入.過去由于水深不大,設(shè)計時采用了過度簡化的計算方法.隨著海洋工程的不斷發(fā)展,水中結(jié)構(gòu)的數(shù)量不斷增加的同時,水深也越來越大,如正在規(guī)劃中的跨海橋梁,水深將在百m以上,某些海洋平臺所涉及的水深甚至達數(shù)百m,水對結(jié)構(gòu)物的動力影響將非常大.這些水下結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅要考慮結(jié)構(gòu)物在空氣中的振動問題,而且要考慮結(jié)構(gòu)物與流體耦聯(lián)時的振動問題,保證結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,使用可靠[1-2].為了分析水介質(zhì)對結(jié)構(gòu)振動的影響,本文進行了水中結(jié)構(gòu)振動特性實驗研究.

1 實驗模型及實驗裝置

1.1 模型設(shè)計

根據(jù)目前實際工程中懸臂梁柱受激勵時的振動情況,通過模型實驗找出不同水深對不同截面的懸臂梁的影響程度.因此,結(jié)合結(jié)構(gòu)工作環(huán)境及安裝條件,并考慮實際工程要求,本實驗制作了3組懸臂梁模型,見圖1.模型試件固接在200 mm×200 mm×10 mm的底板上,模型材料采用鋼材,其密度為785 0 kg/m3,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,模型尺寸見表1所列.

表1 模型尺寸

1.2 實驗裝置

實驗裝置包括水槽和量測系統(tǒng).

水槽.長 70 cm,寬 60 cm,高 60 cm,見圖 2.

圖1 試件

圖2 水槽

量測系統(tǒng).振動量測采用INV1601B型振動實驗儀、INV306U系列智能信號采集處理分析儀、INV型激振錘、INV型非接觸式激振器、電渦流位移傳感器、DASP數(shù)據(jù)采集與信號處理軟件,見圖3～4所示.

圖3 實驗臺

圖4 傳感器和激振器布置圖

2 空氣中的模型試驗

在進行水中試驗前分別采用有限元軟件ANSYS和VSES對3組試件的振動頻率進行分析.兩種軟件的計算結(jié)果基本相同,見表2.

在計算的基礎(chǔ)上,分別用共振法和模態(tài)法對3組懸臂梁柱進行了空氣中的模型試驗.

2.1 實驗方法與步驟

1)共振法的實驗步驟

表2 試件的計算頻率

步驟1 將儀器安裝連接,放置好非接觸式電渦流傳感器和激振器,使傳感器和激振器離試件3～5 mm,為了防止底座受激振時和懸臂梁一起振動,在底座上放置一些鐵質(zhì)重物加強底座的穩(wěn)定性[3-4].

步驟2 通過人工激勵識別懸臂梁柱的估計基頻值.

步驟3 調(diào)節(jié)INV型非接觸式激振器的頻率,使其頻率在估計基頻值附近變動,懸臂梁柱受到激勵發(fā)生振動,這時電渦流傳感器識別出信號,通過振動試驗儀和分析儀輸入計算機,在DASP軟件中顯示出頻率和最大振幅.

步驟4 緩慢調(diào)節(jié)激振器,同時觀察懸臂梁柱的振幅,當振幅最大時可以判斷懸臂梁柱達到共振,此時的頻率就是懸臂梁柱的1階頻率f1.

步驟5 懸臂梁柱的2、3階頻率可在6.25f1,17.5f1附近調(diào)節(jié),觀察懸臂梁柱的振型、頻率和最大振幅,可得到懸臂梁柱的2,3階頻率.

2)模態(tài)法的實驗步驟

步驟1 將儀器安裝連接,為了防止底座受激振時和懸臂梁一起振動,在底座上放置一些鐵質(zhì)重物加強底座的穩(wěn)定性[5].

步驟2 將試件沿梁長方向劃分9等份即在試件上標定10個節(jié)點,將電渦流位移傳感器放置在第4個節(jié)點處.

步驟3 打開DASP軟件進入模態(tài)實驗界面,設(shè)置模態(tài)實驗測試參數(shù).觸發(fā)采樣時用激振錘分別敲擊各節(jié)點3次,然后進行傳函分析得到幅頻曲線,得到試件的各階頻率,輸出模態(tài)分析報告.

2.2 實驗結(jié)果

通過共振法和模態(tài)法2種方法分別測試了3組試件的基頻,實驗結(jié)果見表3.

表3 空氣中模型試件的基頻

2.3 實驗分析

2種方法測試的結(jié)果基本相同,最大誤差只有0.23%,對比表2和表3可以看出實驗結(jié)果與計算結(jié)果基本吻合,說明實驗方法的可信性.

3 水中模型試驗

3.1 實驗步驟

懸臂梁柱在水中的自振頻率的量測步驟如下.

步驟1 將儀器安裝連接,試件固定在水槽中央,水位達到試件115 mm高處,為了避免水的浮力影響模型的振動和底座受激振時和懸臂梁一起振動,在底座上放置一些鐵質(zhì)重物加強底座的穩(wěn)定性.

步驟2 用硅膠密封好傳感器和激振器并放置在水槽中,使傳感器和激振器離試件 3～7 mm..

步驟3 調(diào)節(jié)INV型非接觸式激振器改變激振的頻率,使其在空氣中測得的基頻值附近變動,懸臂梁柱受到激勵發(fā)生振動,這時傳感器識別出懸臂梁柱的頻率和最大振幅,結(jié)果通過振動試驗儀和分析儀輸入計算機,在DASP軟件中顯示出頻率和最大振幅.

步驟4 緩慢調(diào)節(jié)激振器,同時觀察懸臂梁柱的振幅,當振幅最大時可以判斷懸臂梁柱達到共振,此時的頻率就是懸臂梁柱在水深115 mm處的 1 階頻率.

步驟6 用同樣的方法可得到在水深265 mm、滿水(373 mm)情況下懸臂梁柱的1,2,3階自振頻率.

3.2 實驗結(jié)果

不同水位下懸臂梁的一階頻率與無水頻率相比的變化情況如圖5～7所示.

圖5 不同水位下懸臂梁柱一階頻率與無水頻率相比降低的百分率

圖6 不同水位下懸臂梁柱二階頻率與無水頻率相比降低的百分率

圖7 不同水位下懸臂梁柱三階頻率與無水頻率相比降低的百分率

3.3 實驗數(shù)據(jù)分析

通過圖5～7可以得出如下結(jié)論.

1)利用數(shù)值計算和2種實驗不同方法獲得了懸臂結(jié)構(gòu)在空氣中的基頻,計算數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果基本吻合,說明共振法測試結(jié)果的可信性.

2)通過水-懸臂梁的耦合振動實驗,證明了附聯(lián)水質(zhì)量會降低結(jié)構(gòu)的自振頻率,結(jié)構(gòu)在水中的固有頻率均比空氣中低.

3)隨著水深的增加,懸臂梁柱各階固有頻率降低程度逐漸加大,當水位到達懸臂梁柱高度265 mm(71%)時,水對結(jié)構(gòu)的自振頻率的影響已很大(1號試件最高達24.6%),因此,工程設(shè)計計算時應予以考慮.

4)隨著水深的增加,三階頻率降低的百分率最高,一階頻率相對低些,說明懸臂梁柱的基頻受水深影響比高頻小.但滿水時各階頻率降低的百分率相差不多,這可能由于懸臂梁最高點是各階模態(tài)振動位移最大處,所以滿水對各階頻率的影響都很大.剛度較小的1號懸臂梁柱的一階頻率降低的百分率比其他兩階稍大.

5)3組試件水中各頻率與無水頻率相比降低的百分率可以看出隨著水深的增加,1號懸臂梁降低的百分率最大,3號懸臂梁最小,說明剛度較小結(jié)構(gòu)的固有頻率受水阻尼影響較大,所以,設(shè)計深水域中如橋墩細長結(jié)構(gòu)時一定要考慮水動力作用的影響.

4 結(jié)束語

水-結(jié)構(gòu)的耦合振動是一個比較復雜的問題,鑒于工程需要和研究的不足,本文進行了水中結(jié)構(gòu)振動特性實驗研究,討論了水深對振動特性的影響,得出了一些可供工程設(shè)計參考的數(shù)據(jù)和結(jié)論.但限于條件,本文只以較簡單的模型進行了振動特性實驗,對于更復雜的問題如復雜形狀、復雜邊界條件下的水中結(jié)構(gòu)振動特性及其動力響應等還有待進一步研究.

[1]居榮初,曾心傳.彈性結(jié)構(gòu)與液體的耦聯(lián)振動理論[M].北京:地震出版社,1983.

[2]丁思遠.粘性流體對結(jié)構(gòu)固有頻率及阻尼的影響[J].鄭州輕工業(yè)學院學報,1994,9(4):50-53.

[3]林圣華.結(jié)構(gòu)試驗[M].南京:南京工學院出版社,1987.

[4]張 敏.橋墩與河水流固耦合振動分析[D].大連交通大學土木與安全工程學院,2006.

[5]左東啟.模型實驗的理論和方法[M].北京:水利電利出版社,1984.