懸浮隧道錨索振動分析研究進(jìn)展

劉 欣 孫勝男（聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院 聊城 252059）

懸浮隧道錨索振動分析研究進(jìn)展

劉 欣 孫勝男
（聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院 聊城 252059）

目前，懸浮隧道錨索的振動可以大致分為兩種類型，一是錨索的強迫振動，如環(huán)境荷載作用下的渦激振動等；二是由隧道管體運動引發(fā)的參數(shù)振動，這類參數(shù)振動又可以分為兩類，分別是錨索及隧道管體線性耦合引起的振動與參數(shù)激勵振。本文就錨索的渦激振動、參數(shù)振動以及穩(wěn)定性研究這三個方面展開了論述，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，懸浮隧道錨索的幅值、水流速度、系統(tǒng)阻尼比以及頻率比都會導(dǎo)致錨索不同程度的振動，所以對懸浮隧道錨索的振動進(jìn)行分析是很有必要的。此外，應(yīng)深入研究預(yù)防或減弱振動危害的方法和措施。

懸浮隧道；錨索；渦激振動；參數(shù)振動

如今，懸浮隧道的建造變得越來越廣泛了，它通過水的浮力和錨固作用可以懸浮在水中特定位置的特性，使它在跨越水域方面的影響力和震撼力不可小覷。它是繼海底隧道后的一種新的跨越海峽、大江湖泊、水道的交通結(jié)構(gòu)物。鑒于它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定原理是在阿基米德的浮力定律的基礎(chǔ)上，所以它又叫阿基米德橋。根據(jù)懸浮隧道錨固方式的不同，可以把懸浮隧道分為錨索式懸浮隧道、浮筒式懸浮隧道及固定式懸浮隧道[1]，其中錨索式懸浮隧道應(yīng)用的最為廣泛。本文以錨索式懸浮隧道為研究對象，主要分析了懸浮隧道錨索的一些振動特性。

錨索是懸浮隧道的主要承載結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，它的一端固定在隧道管體上，另一端錨固在基礎(chǔ)上，它具有柔度大、阻尼小等特征，是一種非常容易振動的工程構(gòu)件。因為錨索是位于水面30米深度以下，所以它的振動主要是受波浪和海流的作用而產(chǎn)生的，它的這種振動及受力方式和斜拉橋拉索非常相似。現(xiàn)有斜拉索的研究分析表明：拉索極易在各種激勵下產(chǎn)生不同的振動，而且隨著現(xiàn)代斜拉橋跨徑的日益增加，拉索的振動問題也越來越突出[2]。因此懸浮隧道錨索的振動需要引起關(guān)注，本文接下來就部分學(xué)者展開的相應(yīng)研究進(jìn)行分析。

1 渦激振動

由于懸浮隧道錨索處于水面以下30米，所以它的渦激振動主要是由于波浪以及水流對于錨索的兩側(cè)交替產(chǎn)生的旋渦作用。假如構(gòu)件的自振頻率和水流及波浪產(chǎn)生的旋渦的發(fā)放頻率正好耦合的話，就會發(fā)生共振現(xiàn)象。因此渦激振動是一種非常有害的現(xiàn)象，對其進(jìn)行有效的研究分析是很有必要的。

考慮懸浮隧道外激勵作用，葛斐[3]等探討了錨索的順流方向的渦激振動問題，得出了水中懸浮隧道錨索在波流場中的渦激動力響應(yīng)。為探究懸浮隧道錨索高階渦激非線性振動響應(yīng)，孫勝男和陳健云[4]采用多階伽遼金法對懸浮隧道錨索多階渦激非線性振動的反應(yīng)情況進(jìn)行了分析。項貽強和晁春峰[5]運用Hamilton原理，推導(dǎo)了管體及錨索系統(tǒng)運動的微分方程組，利用變量分離法及振型疊加法進(jìn)行了化簡及求解，探討了懸浮隧道錨索和管體耦合系統(tǒng)的非線性渦激特性。

研究表明：渦激振動會造成錨索的大幅振動；一階渦激振動的響應(yīng)最大，階數(shù)越高，產(chǎn)生的動態(tài)響應(yīng)越小；外激勵作用下發(fā)生的渦激振動的振幅比沒有外激勵作用下產(chǎn)生的振幅明顯高出很多；增加錨索的阻尼和管體的阻尼都能夠明顯減小錨索的振幅。

2 參數(shù)振動

參數(shù)振動是除自由振動、受迫振動和自激振動以外的又一種振動形式，它是由外界的激勵產(chǎn)生，但激勵不是以外力形式施加于系統(tǒng)，而是通過系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)的周期性改變間接地實現(xiàn)。它的出現(xiàn)也會對錨索產(chǎn)生嚴(yán)重的危害和經(jīng)濟上的損失，所以對錨索參數(shù)振動的研究是必須的。

孫勝男[6]等在考慮了錨索的垂度效應(yīng)以及水體對錨索影響的情況下，對隧道管體-錨索耦合非線性參數(shù)振動進(jìn)行了分析。2011年，孫勝男[7]等又對軸向激勵下的懸浮隧道錨索的參數(shù)振動進(jìn)行了研究并歸納和總結(jié)出了其相應(yīng)的特性。

研究表明：當(dāng)參數(shù)激勵頻率與錨索的振動頻率的比值達(dá)到某一區(qū)間時，就會發(fā)生共振現(xiàn)象；另外，水體對錨索產(chǎn)生的附加慣性力也可以減小錨索的振幅；懸浮隧道錨索的內(nèi)外直徑比也會對錨索的垂度、水體對錨索產(chǎn)生的附加慣性力等造成一定的影響，這樣間接的也會對錨索的振幅產(chǎn)生不同程度的變化。

3 穩(wěn)定性研究

懸浮隧道錨索在各種振動作用下會產(chǎn)生不同程度的振幅，這使得錨索很容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，并對懸浮隧道的安全和建設(shè)造成了不可磨滅的影響，所以它的穩(wěn)定性規(guī)律及影響因素值得深究。

蘇志彬和孫勝男[8]采用 Lyapunov指數(shù)法對參數(shù)激勵作用下錨索的穩(wěn)定性進(jìn)行了判斷和分析。錨索振動穩(wěn)定性的影響因素很多，這里主要針對錨索索端的激勵振幅值、系統(tǒng)阻尼比及錨索索端激勵頻率與錨索固有頻率的比值進(jìn)行了探究。劉斌[9]等對懸浮隧道錨索渦激振動的穩(wěn)定性進(jìn)行了探究，得出了錨索初張力、阻尼比、均勻流速和渦激振動頻率對錨索振動穩(wěn)定性的影響。

研究表明：錨索振動系統(tǒng)的初張力、阻尼比越大,錨索就越容易處于穩(wěn)定狀態(tài)；均勻流速的增大,會導(dǎo)致錨索逐漸從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變至失穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)激勵頻率與錨索的固有頻率相近時，會發(fā)生共振現(xiàn)象,這時錨索最容易發(fā)生失穩(wěn)。

4 結(jié)論

本文就現(xiàn)有的一些對懸浮隧道錨索的振動及其穩(wěn)定性的研究做出了相應(yīng)的綜述和概括。目前，懸浮隧道錨索的振動大致分為兩類：一是由于荷載作用引起的振動，比如海流、波流、渦街等引發(fā)的錨索的渦激振動；二是由隧道管體運動引發(fā)的錨索的參數(shù)振動，這類參數(shù)振動又可以大致分為兩類，分別是錨索和隧道管體線性耦合引起的振動和參數(shù)激勵振動。從現(xiàn)有研究中可以發(fā)現(xiàn)，懸浮隧道錨索的振幅、水流速度、系統(tǒng)阻尼比以及頻率比都會導(dǎo)致錨索不同程度的振動，有時還會造成特別嚴(yán)重的損失，因此對懸浮隧道錨索的振動分析研究是很有必要的。除此之外，我們更應(yīng)該深入研究出預(yù)防或減弱振動危害的方法和措施。

[1]羅剛, 周曉軍. 懸浮隧道錨索渦激疲勞損傷分析 [J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報, 2014, 49(4): 642-648.

[2]王修勇, 陳政清, 倪一清, 胡建華. 環(huán)境激勵下斜拉橋拉索的振動觀測研究[J]. 振動與沖擊, 2006, 25(2): 138-144.

[3]葛斐, 董滿生, 惠磊, 洪友士. 水中懸浮隧道錨索在波流場中的渦激動力響應(yīng) [J]. 工程力學(xué), 2006, 23(z1): 217-221.

[4]孫勝男, 陳健云. 懸浮隧道錨索多階渦激非線性振動 [J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報, 2007 ,33(4): 86-90.

[5]項貽強, 晁春峰. 懸浮隧道管體及錨索耦合作用的渦激動力響應(yīng) [J]. 浙江大學(xué)學(xué)報, 2012, 46(3): 409-415.

[6]Sun Shengnan, Chen Jianyun, Li Jing. Non-linear response of tethers subjected to parametric excitation in submerged floating tunnels [J]. China Ocean Engineering, 2009, 23(1): 167-174.

[7]孫勝男, 蘇志彬, 白衛(wèi)峰. 軸向激勵下懸浮隧道錨索參數(shù)振動分析 [J]. 工程力學(xué), 2011, 28(6): 170-175.

[8]蘇志彬, 孫勝男. 參數(shù)激勵作用下水下懸浮隧道錨索的穩(wěn)定性研究 [J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 44(6): 2549-2553.

[9]劉斌, 劉祚秋, 巫志文. 基于 Lyapunov指數(shù)的懸浮隧道錨索振動穩(wěn)定分析[J]. 人民長江, 2015, 46(11): 61-64.

U459.5

A

1007-6344（2016）06-0111-01

山東省自然科學(xué)基金資助項目（編號：ZR2015EL045）。

劉欣（1993-），女，湖北孝感人，碩士研究生，從事懸浮隧道錨索振動研究。

*孫勝男（1982-），女，山東萊陽人，副教授，博士，從事懸浮隧道動力響應(yīng)研究；