【博士】洋流涡激作用下水中悬浮隧道稳定性的关键技术研究【2009】

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内容简介

　　学科专业：桥梁与隧道工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：西南交通大学　　学位年度： 2009年　　涡激振动是悬浮隧道研究中一个非常重要的问题，因为悬浮隧道在海流作用下会产生复杂的涡激振动以及频率“锁定”现象，并诱发流体与结构之间的相互作用，由此可导致结构失稳。由于横流向的涡激振动幅值比顺流向涡激振动幅值要大一个量级，因此本文着重研究悬浮隧道在横向涡激作用下的动力特性及其稳定性，所展开的研究工作主要有：　　1基于涡量运动学和动力学特性，针对悬浮隧道管段在运动中受到的流体荷载展开研究，推导出呈小振幅运动的悬浮隧道管段受到的流体荷载计算公式，在已知管段运动规律的前提下运用该公式能准确地计算出作用于悬浮隧道上的流体荷载；并对涡激振动机理进行总结，运用Morison方程估算作用于悬浮隧道上流体作用力。　　2将单跨悬浮隧道简化成两端简支的Euler-Bemoulli梁，采用分离变量法对单跨悬浮隧道的固有特性进行分析。研究表明：单跨悬浮隧道一阶固有频率的影响凶素中附加质量系数对其影响最大，管段截面外直径影响次之，海水密度影响最小。将张力腿型多跨悬浮隧道简化为线性弹簧支撑的梁模型，采用Laplace正、逆变化求解多跨悬浮隧道管段固有动力特性。研究表明：多跨悬浮隧道固有频率随张力腿轴向等效刚度的增加而降低，悬浮隧道的固有频率与等效刚度之间成反比例关系；固有频率随着管段结构弹性模量、管段外直径的增加而增大，但不成线性关系。　　3利用混沌理论中的Melnikov方法分析单跨悬浮隧道在横流涡激作用下的稳定性判据，并对影响稳定性的因素进行分析。研究表明：随着跨度的增加，悬浮隧道稳定性降低；振动阶次越高悬浮隧道稳定性越好，在进行稳定性分析时可只分析一阶稳定性情况。悬浮隧道稳定性随洋流速度增加而呈下降趋势；　　管段弹性模量对稳定性呈线性影响关系：管段材料密度对稳定性影响也呈增加趋势；管段外直径对稳定性影响呈“勺子”状变化：流体阻尼系数对稳定性呈“V”字形影响；升力系数对稳定性呈下降阶跃函数影响关系。此外，将悬浮隧道管段振动视为对张力腿的参数激励而建立悬浮隧道张力腿振动模型，利用Lyapunov函数研究悬浮隧道张力腿在涡激作用下的稳定性判据。研究得出：张力腿稳定性随着振动阶次、结构刚度或初张力的增加都会呈增加趋势，但不呈线性变化关系；而随着参数激励频率、张力腿长度或动张力系数的增加稳定性会逐渐降低。　　4涡激振动模型试验结果表明：悬浮隧道的动力响应随着流速的增大而增大，其中振动最大位移随着流速增加呈线性增加。在相同流场环境条件下，增加支撑张力腿组数能减小管段结构的受力和动力响应幅值，但是会使张力腿的响应规律变得复杂：两节管段的动力响应规律与单节管段大体相同，单节管段悬浮隧道的速度响应幅值比两节管段悬浮隧道大。数值模拟结果表明：在管段迎流面和背流面分别出现正压区和负压区，来流速度越大，管段正负压区的压力值都越高，管段绕流场的分离点后移，漩涡释放频率也越大；圆形截面管体后形成的尾流区最大，椭圆形截面次之，多边形截面最小。　　5考虑悬浮隧道管段结构的非线性，在动力特性分析、稳定性分析及模型试验的基础上研究悬浮隧道管段在横向涡激作用下的动力响应。研究表明：对于单跨悬浮隧道发生首阶谐响应时的模态位移最大；悬浮隧道管段的弹性模量增大或管段外直径的增加都会对动力响应起抑制作用；而跨度的增加却会增大动力响应幅值；随着来流速度的增加悬浮隧道的动力响应幅值会增大。对于多跨悬浮隧道，增大张力腿的轴向刚度有助于抑制悬浮隧道管段的位移响应幅值；　　悬浮隧道管段位移响应幅值随着张力腿长度的增加而增加；不考虑非线性因素影响时随着张力腿间夹角越小对悬浮隧道管段动力响应的抑制作用越明显，而当考虑非线性因素影响时张力腿问夹角越小管段动力响应幅值越大。　　

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