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

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　　學(xué)科專(zhuān)業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：西南交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　渦激振動(dòng)是懸浮隧道研究中一個(gè)非常重要的問(wèn)題，因?yàn)閼腋∷淼涝诤Ａ髯饔孟聲?huì)產(chǎn)生復(fù)雜的渦激振動(dòng)以及頻率“鎖定”現(xiàn)象，并誘發(fā)流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，由此可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。由于橫流向的渦激振動(dòng)幅值比順流向渦激振動(dòng)幅值要大一個(gè)量級(jí)，因此本文著重研究懸浮隧道在橫向渦激作用下的動(dòng)力特性及其穩(wěn)定性，所展開(kāi)的研究工作主要有：　　1基于渦量運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，針對(duì)懸浮隧道管段在運(yùn)動(dòng)中受到的流體荷載展開(kāi)研究，推導(dǎo)出呈小振幅運(yùn)動(dòng)的懸浮隧道管段受到的流體荷載計(jì)算公式，在已知管段運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提下運(yùn)用該公式能準(zhǔn)確地計(jì)算出作用于懸浮隧道上的流體荷載；并對(duì)渦激振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，運(yùn)用Morison方程估算作用于懸浮隧道上流體作用力。　　2將單跨懸浮隧道簡(jiǎn)化成兩端簡(jiǎn)支的Euler-Bemoulli梁，采用分離變量法對(duì)單跨懸浮隧道的固有特性進(jìn)行分析。研究表明：?jiǎn)慰鐟腋∷淼酪浑A固有頻率的影響兇素中附加質(zhì)量系數(shù)對(duì)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(jiǎn)化為線(xiàn)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(dòng)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(guān)系；固有頻率隨著管段結(jié)構(gòu)彈性模量、管段外直徑的增加而增大，但不成線(xiàn)性關(guān)系?！　?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(jù)，并對(duì)影響穩(wěn)定性的因素進(jìn)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(dòng)階次越高懸浮隧道穩(wěn)定性越好，在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)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(shì)；　　管段彈性模量對(duì)穩(wěn)定性呈線(xiàn)性影響關(guān)系：管段材料密度對(duì)穩(wěn)定性影響也呈增加趨勢(shì)；管段外直徑對(duì)穩(wěn)定性影響呈“勺子”狀變化：流體阻尼系數(shù)對(duì)穩(wěn)定性呈“V”字形影響；升力系數(shù)對(duì)穩(wěn)定性呈下降階躍函數(shù)影響關(guān)系。此外，將懸浮隧道管段振動(dòng)視為對(duì)張力腿的參數(shù)激勵(lì)而建立懸浮隧道張力腿振動(dòng)模型，利用Lyapunov函數(shù)研究懸浮隧道張力腿在渦激作用下的穩(wěn)定性判據(jù)。研究得出：張力腿穩(wěn)定性隨著振動(dòng)階次、結(jié)構(gòu)剛度或初張力的增加都會(huì)呈增加趨勢(shì)，但不呈線(xiàn)性變化關(guān)系；而隨著參數(shù)激勵(lì)頻率、張力腿長(zhǎng)度或動(dòng)張力系數(shù)的增加穩(wěn)定性會(huì)逐漸降低?！　?渦激振動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果表明：懸浮隧道的動(dòng)力響應(yīng)隨著流速的增大而增大，其中振動(dòng)最大位移隨著流速增加呈線(xiàn)性增加。在相同流場(chǎng)環(huán)境條件下，增加支撐張力腿組數(shù)能減小管段結(jié)構(gòu)的受力和動(dòng)力響應(yīng)幅值，但是會(huì)使張力腿的響應(yīng)規(guī)律變得復(fù)雜：兩節(jié)管段的動(dòng)力響應(yīng)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(yīng)幅值比兩節(jié)管段懸浮隧道大。數(shù)值模擬結(jié)果表明：在管段迎流面和背流面分別出現(xiàn)正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，來(lái)流速度越大，管段正負(fù)壓區(qū)的壓力值都越高，管段繞流場(chǎng)的分離點(diǎn)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(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性，在動(dòng)力特性分析、穩(wěn)定性分析及模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究懸浮隧道管段在橫向渦激作用下的動(dòng)力響應(yīng)。研究表明：對(duì)于單跨懸浮隧道發(fā)生首階諧響應(yīng)時(shí)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(huì)對(duì)動(dòng)力響應(yīng)起抑制作用；而跨度的增加卻會(huì)增大動(dòng)力響應(yīng)幅值；隨著來(lái)流速度的增加懸浮隧道的動(dòng)力響應(yīng)幅值會(huì)增大。對(duì)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(yīng)幅值；　　懸浮隧道管段位移響應(yīng)幅值隨著張力腿長(zhǎng)度的增加而增加；不考慮非線(xiàn)性因素影響時(shí)隨著張力腿間夾角越小對(duì)懸浮隧道管段動(dòng)力響應(yīng)的抑制作用越明顯，而當(dāng)考慮非線(xiàn)性因素影響時(shí)張力腿問(wèn)夾角越小管段動(dòng)力響應(yīng)幅值越大?！　?

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