水中结构的动力响应分析

摘 要 ： 海 洋 悬 跨 管 道 、 浮 隧 道 等 结 构 简 化 为 简 支 梁 ， 水 流 引起 漩 涡 泄 放 产 生 的 升 力 简 化 为简 将 悬 将
谐 荷 载 ， 虑 流 固耦 合效 应 研 究 水 中结 构 的动 力 响 应 ． 模 态 分 析 后 ， 据 结 构 的 自振 频 率 范 围选 考 在 根
中 图法 分 类 号 ： Ｅ ７ ． ２ Ｔ ９ ３ ９ Ｄ ： ０ ３ ６ ｉ ｎ １ ０ — ８ ３ ２ １ ． １ ０ ４ ＯＩ １ ． ９ ３ ｓ ． ０ ６２ ２ ． Ｏ １ ０ ． ３ ｓ
０ 引
言
质 量法代 替水 对结构 的作 用． 为进行分 析 ， 引入如
下 假 设 ： １ 结 构 为 两 端 简 支 的 Ｅ ｌｒ ｅｎ ｕｌ （） ｕｅ— ｒ ｏ ｌ Ｂ ｉ
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ １ １３ ．
Ｆｅ ． ２ １ ｂ Ｏ１
水 中结 构 的动力 响应 分 析 ＊
雷 凡 ＂ 杨 吉 新
（ 武汉 理工 大学 交 通 学 院” 武 汉
刘 惠ｕ 方 伟
４０ ３ ） ３ ０ ０
４ ０ ６ ） （ 北 鄂 东 长 江 公 路 大 桥 有 限公 司 ’ 黄 石 ３ ０ ３ 湖
单 位长 度流体 的 附加质量
可表示 为ｌ ＿ ５ ］
ｍ 一 ÷７ Ａ ｃＤ』 ｃ Ｄ
（） ２
式 中 ： Ａ为 流体 附加质 量系 数 ； 为 截 面直径 ； Ｃ Ｄ 为流体 密度 ．
常 用 的 涡 激 升 力 ｆ ｘ，） 达 式 为 ［ （ ￡表 ６
水 中结 构 的运 动 方 程
（） ３
式 中 ： 为 升 力 系 数 ； 为 流 体 流 速 ； Ｃ Ｖ 。为 涡 泄
国家 ８ ３计 划项 目资 助 （ 准 号 ：０ ７ ６ 批 ２０ ＡＡ１Ｚ ０ ） １ １ ７
第 １ 期
雷
凡 ， ： 中结 构 的 动力 响应 分 析 等 水
・ ４ ・ １ ３
频率 ．
在建 立水 中结 构 的 运 动方 程 时 ， 常使 用 附加
收 稿 日期 ：０ ０１ ３ ２ １—０ｌ 雷 凡 （ ９ ３ ） 女 ， 士 生 ， 要研 究 领 域 为 桥 梁 动 力分 析 与减 震 １８一 ： 博 主
ｆｘ 一 寺ｃｌＶ Ｄ ｏＧ （， ） Ｌ ｃｓｏ ） ０ ￡
率 接 近 于 结 构 的 自振 频 率 时 ， 构 与 流 体 之 间 的 结
令 系统坐 标原 点 为 梁 左 端 截 面 中 心处 ， ｚ轴
方 向 与 梁 轴 线 重 合 ， 上 述 假 定 条 件 下 ， 中 结 构 在 水 在 涡 激 升 力 作 用 下 的 运 动 方 程 可 表 示 为
第３ ５卷 第 １ 期 ２ １ 年 ２月 ０Baidu Nhomakorabea
武汉 理工 大学学 报 （ 交通 科 学与工 程版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｕ ａ ｉｅｓｔ ｆＴｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｒ ａ ｏ Ｗ ｈ ｎ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｏ ｃ ｎ ｌｇ ｙ
（ ａ ｓ ｏ ｔｔ ｎ Ｓ ｉｎ ｅ＆ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ） Ｔｒｎ ｐ ｒａｉ ｃｅ ｃ ｏ ｇｎ ｅ ｉｇ
中 的各 阶 自振 频 率 小 于 空 气 中的 自振 频 率 ； 构 在 水 中 的 响 应 较 空 气 中 大 ； 结 当简 谐 荷 载 以 结 构 的
一
、
二 、 阶频 率 激 振 时 ， 构 振 动 的位 移 幅 值 依 次 减 小 ． 三 结
关 键 词 ： 中 结 构 ； 固耦 合 ； 水 流 简谐 荷 载 ； 动力 响应
ｓ ｉ ｎ
ｓｎ 稠 ｉ
由涡 激升 力 的表 达 式 可 以 看 出 ， 在流 体 速 度
恒定 的情 况下 ， 用 于 结 构 的涡 激 升 力 为 固定 振 作
近年来 各 国越来越 重视 海洋 资源 的开发 与利
梁， 考虑其 弯 曲刚度 ；２ 结 构 为圆形截 面 ， 几何 （） 其
尺寸、 刚度和材 料性 质 沿 长 度方 向不 变 ； ３ 海 流 （）
为 均 匀 定 常 流 ， 流 向 垂 直 于 梁 的轴 线 ． 且
用 ， 继 建造 了许 多诸 如 跨 海大 桥 、 洋平 台、 相 海 海 底油 气管道 、 海底 隧道 、 超大 型浮 体等海 洋工程 结
构 ． 类 结构 容 易 在波 、 、 震 等外 部 荷 载 的作 这 流 地 用 下产 生有 害 振 动 ， 重 时可 产 生 疲 劳 破 坏＿ ｊ 严 】． 而且 其施 工 难 度 大 ， 护 维修 费 用 高 ， 养 因此 ， 究 研 水 中结 构在 动荷 载作 用下 的响应 十分重 要． 当水流 垂直 流 经钝 体 结 构 时 ， 一定 的条 件 在 下 ， 构两侧 会 周期性 地发 生漩 涡泄放 现象 ， 而 结 从 产生作 用在 结构 上 的 周期 性 交 变 荷 载． 涡泄 频 当
定 简 谐 荷 载 的强 制 频 率 范 围 ， 行 谐 响应 分 析 得 到 响 应一 率 曲线 ， 取 适 当频 率 进 行 瞬 态 分 析 ， 进 频 选 得
到 响应 的时 间历 程 曲线 ． 比较 分析 不 同长 度 的结 构 在 水 和 空 气 中 的 响 应 ， 析 表 明 ： 分 同一 结 构 在 水
ＥＪ ＋ （ ｂ＋ ）×
＋ｃ
＝ 厂ｃ ｔ ㈩ ｘ，
式 中 ： 为抗 弯 刚度 ； 为 单 位 长度 的质 量 ； ＥＩ ｍ
为 流体作 用 在单 位 长 度结 构 上 的 附加 质 量 ； ｃ为 阻尼 系数 ； （ 为涡 激升力 ． ｆ ｘ，）
耦合 效应变 得 十分 显 著 ， 发 生垂 直 于 流 向 的强 将 烈共 振现象 ］本 文 将 海 洋 悬跨 管道 、 浮 隧道 ． 悬 等两 端约束 的结 构 简 化 为 简 支梁 模 型 ， 将漩 涡泄 放产 生 的升力 简化 为 简 谐 荷 载 ， 考虑 流 固耦 合 作 用 ， 析水 中结 构 的动 力 响应． 分