【博士】洋流渦激作用下水中懸浮隧道穩(wěn)定性的關鍵技術研究【2009】

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內容簡介

　　學科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：西南交通大學　　學位年度： 2009年　　渦激振動是懸浮隧道研究中一個非常重要的問題，因為懸浮隧道在海流作用下會產生復雜的渦激振動以及頻率“鎖定”現象，并誘發(fā)流體與結構之間的相互作用，由此可導致結構失穩(wěn)。由于橫流向的渦激振動幅值比順流向渦激振動幅值要大一個量級，因此本文著重研究懸浮隧道在橫向渦激作用下的動力特性及其穩(wěn)定性，所展開的研究工作主要有：　　1基于渦量運動學和動力學特性，針對懸浮隧道管段在運動中受到的流體荷載展開研究，推導出呈小振幅運動的懸浮隧道管段受到的流體荷載計算公式，在已知管段運動規(guī)律的前提下運用該公式能準確地計算出作用于懸浮隧道上的流體荷載；并對渦激振動機理進行總結，運用Morison方程估算作用于懸浮隧道上流體作用力?！　?將單跨懸浮隧道簡化成兩端簡支的Euler-Bemoulli梁，采用分離變量法對單跨懸浮隧道的固有特性進行分析。研究表明：單跨懸浮隧道一階固有頻率的影響兇素中附加質量系數對其影響最大，管段截面外直徑影響次之，海水密度影響最小。將張力腿型多跨懸浮隧道簡化為線性彈簧支撐的梁模型，采用Laplace正、逆變化求解多跨懸浮隧道管段固有動力特性。研究表明：多跨懸浮隧道固有頻率隨張力腿軸向等效剛度的增加而降低，懸浮隧道的固有頻率與等效剛度之間成反比例關系；固有頻率隨著管段結構彈性模量、管段外直徑的增加而增大，但不成線性關系。　　3利用混沌理論中的Melnikov方法分析單跨懸浮隧道在橫流渦激作用下的穩(wěn)定性判據，并對影響穩(wěn)定性的因素進行分析。研究表明：隨著跨度的增加，懸浮隧道穩(wěn)定性降低；振動階次越高懸浮隧道穩(wěn)定性越好，在進行穩(wěn)定性分析時可只分析一階穩(wěn)定性情況。懸浮隧道穩(wěn)定性隨洋流速度增加而呈下降趨勢；　　管段彈性模量對穩(wěn)定性呈線性影響關系：管段材料密度對穩(wěn)定性影響也呈增加趨勢；管段外直徑對穩(wěn)定性影響呈“勺子”狀變化：流體阻尼系數對穩(wěn)定性呈“V”字形影響；升力系數對穩(wěn)定性呈下降階躍函數影響關系。此外，將懸浮隧道管段振動視為對張力腿的參數激勵而建立懸浮隧道張力腿振動模型，利用Lyapunov函數研究懸浮隧道張力腿在渦激作用下的穩(wěn)定性判據。研究得出：張力腿穩(wěn)定性隨著振動階次、結構剛度或初張力的增加都會呈增加趨勢，但不呈線性變化關系；而隨著參數激勵頻率、張力腿長度或動張力系數的增加穩(wěn)定性會逐漸降低?！　?渦激振動模型試驗結果表明：懸浮隧道的動力響應隨著流速的增大而增大，其中振動最大位移隨著流速增加呈線性增加。在相同流場環(huán)境條件下，增加支撐張力腿組數能減小管段結構的受力和動力響應幅值，但是會使張力腿的響應規(guī)律變得復雜：兩節(jié)管段的動力響應規(guī)律與單節(jié)管段大體相同，單節(jié)管段懸浮隧道的速度響應幅值比兩節(jié)管段懸浮隧道大。數值模擬結果表明：在管段迎流面和背流面分別出現正壓區(qū)和負壓區(qū)，來流速度越大，管段正負壓區(qū)的壓力值都越高，管段繞流場的分離點后移，漩渦釋放頻率也越大；圓形截面管體后形成的尾流區(qū)最大，橢圓形截面次之，多邊形截面最小。　　5考慮懸浮隧道管段結構的非線性，在動力特性分析、穩(wěn)定性分析及模型試驗的基礎上研究懸浮隧道管段在橫向渦激作用下的動力響應。研究表明：對于單跨懸浮隧道發(fā)生首階諧響應時的模態(tài)位移最大；懸浮隧道管段的彈性模量增大或管段外直徑的增加都會對動力響應起抑制作用；而跨度的增加卻會增大動力響應幅值；隨著來流速度的增加懸浮隧道的動力響應幅值會增大。對于多跨懸浮隧道，增大張力腿的軸向剛度有助于抑制懸浮隧道管段的位移響應幅值；　　懸浮隧道管段位移響應幅值隨著張力腿長度的增加而增加；不考慮非線性因素影響時隨著張力腿間夾角越小對懸浮隧道管段動力響應的抑制作用越明顯，而當考慮非線性因素影響時張力腿問夾角越小管段動力響應幅值越大?！　?

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