楊吉新 秦延飛 劉素云 陳海平

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院2) 廣州 510300)

內(nèi)陸江河水庫(kù)工程中有一些水中結(jié)構(gòu)如大壩、橋墩等,這些水中結(jié)構(gòu)受到動(dòng)荷載作用時(shí)將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng).這種振動(dòng)通過對(duì)界面的激勵(lì),在水中產(chǎn)生附加的動(dòng)水壓力,而附加的動(dòng)水壓力又通過界面引起結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng).此類水-結(jié)構(gòu)的耦合振動(dòng)作用是一個(gè)比較復(fù)雜的過程,相應(yīng)的研究還有待深入.過去由于水深不大,設(shè)計(jì)時(shí)采用了過度簡(jiǎn)化的計(jì)算方法.隨著海洋工程的不斷發(fā)展,水中結(jié)構(gòu)的數(shù)量不斷增加的同時(shí),水深也越來越大,如正在規(guī)劃中的跨海橋梁,水深將在百m以上,某些海洋平臺(tái)所涉及的水深甚至達(dá)數(shù)百m,水對(duì)結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力影響將非常大.這些水下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅要考慮結(jié)構(gòu)物在空氣中的振動(dòng)問題,而且要考慮結(jié)構(gòu)物與流體耦聯(lián)時(shí)的振動(dòng)問題,保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,使用可靠[1-2].為了分析水介質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響,本文進(jìn)行了水中結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究.

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皩?shí)驗(yàn)裝置

1.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)目前實(shí)際工程中懸臂梁柱受激勵(lì)時(shí)的振動(dòng)情況,通過模型實(shí)驗(yàn)找出不同水深對(duì)不同截面的懸臂梁的影響程度.因此,結(jié)合結(jié)構(gòu)工作環(huán)境及安裝條件,并考慮實(shí)際工程要求,本實(shí)驗(yàn)制作了3組懸臂梁模型,見圖1.模型試件固接在200 mm×200 mm×10 mm的底板上,模型材料采用鋼材,其密度為785 0 kg/m3,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,模型尺寸見表1所列.

表1 模型尺寸

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置包括水槽和量測(cè)系統(tǒng).

水槽.長(zhǎng) 70 cm,寬 60 cm,高 60 cm,見圖 2.

圖1 試件

圖2 水槽

量測(cè)系統(tǒng).振動(dòng)量測(cè)采用INV1601B型振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀、INV306U系列智能信號(hào)采集處理分析儀、INV型激振錘、INV型非接觸式激振器、電渦流位移傳感器、DASP數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理軟件,見圖3～4所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖4 傳感器和激振器布置圖

2 空氣中的模型試驗(yàn)

在進(jìn)行水中試驗(yàn)前分別采用有限元軟件ANSYS和VSES對(duì)3組試件的振動(dòng)頻率進(jìn)行分析.兩種軟件的計(jì)算結(jié)果基本相同,見表2.

在計(jì)算的基礎(chǔ)上,分別用共振法和模態(tài)法對(duì)3組懸臂梁柱進(jìn)行了空氣中的模型試驗(yàn).

2.1 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

1)共振法的實(shí)驗(yàn)步驟

表2 試件的計(jì)算頻率

步驟1 將儀器安裝連接,放置好非接觸式電渦流傳感器和激振器,使傳感器和激振器離試件3～5 mm,為了防止底座受激振時(shí)和懸臂梁一起振動(dòng),在底座上放置一些鐵質(zhì)重物加強(qiáng)底座的穩(wěn)定性[3-4].

步驟2 通過人工激勵(lì)識(shí)別懸臂梁柱的估計(jì)基頻值.

步驟3 調(diào)節(jié)INV型非接觸式激振器的頻率,使其頻率在估計(jì)基頻值附近變動(dòng),懸臂梁柱受到激勵(lì)發(fā)生振動(dòng),這時(shí)電渦流傳感器識(shí)別出信號(hào),通過振動(dòng)試驗(yàn)儀和分析儀輸入計(jì)算機(jī),在DASP軟件中顯示出頻率和最大振幅.

步驟4 緩慢調(diào)節(jié)激振器,同時(shí)觀察懸臂梁柱的振幅,當(dāng)振幅最大時(shí)可以判斷懸臂梁柱達(dá)到共振,此時(shí)的頻率就是懸臂梁柱的1階頻率f1.

步驟5 懸臂梁柱的2、3階頻率可在6.25f1,17.5f1附近調(diào)節(jié),觀察懸臂梁柱的振型、頻率和最大振幅,可得到懸臂梁柱的2,3階頻率.

2)模態(tài)法的實(shí)驗(yàn)步驟

步驟1 將儀器安裝連接,為了防止底座受激振時(shí)和懸臂梁一起振動(dòng),在底座上放置一些鐵質(zhì)重物加強(qiáng)底座的穩(wěn)定性[5].

步驟2 將試件沿梁長(zhǎng)方向劃分9等份即在試件上標(biāo)定10個(gè)節(jié)點(diǎn),將電渦流位移傳感器放置在第4個(gè)節(jié)點(diǎn)處.

步驟3 打開DASP軟件進(jìn)入模態(tài)實(shí)驗(yàn)界面,設(shè)置模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù).觸發(fā)采樣時(shí)用激振錘分別敲擊各節(jié)點(diǎn)3次,然后進(jìn)行傳函分析得到幅頻曲線,得到試件的各階頻率,輸出模態(tài)分析報(bào)告.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過共振法和模態(tài)法2種方法分別測(cè)試了3組試件的基頻,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 空氣中模型試件的基頻

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

2種方法測(cè)試的結(jié)果基本相同,最大誤差只有0.23%,對(duì)比表2和表3可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本吻合,說明實(shí)驗(yàn)方法的可信性.

3 水中模型試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

懸臂梁柱在水中的自振頻率的量測(cè)步驟如下.

步驟1 將儀器安裝連接,試件固定在水槽中央,水位達(dá)到試件115 mm高處,為了避免水的浮力影響模型的振動(dòng)和底座受激振時(shí)和懸臂梁一起振動(dòng),在底座上放置一些鐵質(zhì)重物加強(qiáng)底座的穩(wěn)定性.

步驟2 用硅膠密封好傳感器和激振器并放置在水槽中,使傳感器和激振器離試件 3～7 mm..

步驟3 調(diào)節(jié)INV型非接觸式激振器改變激振的頻率,使其在空氣中測(cè)得的基頻值附近變動(dòng),懸臂梁柱受到激勵(lì)發(fā)生振動(dòng),這時(shí)傳感器識(shí)別出懸臂梁柱的頻率和最大振幅,結(jié)果通過振動(dòng)試驗(yàn)儀和分析儀輸入計(jì)算機(jī),在DASP軟件中顯示出頻率和最大振幅.

步驟4 緩慢調(diào)節(jié)激振器,同時(shí)觀察懸臂梁柱的振幅,當(dāng)振幅最大時(shí)可以判斷懸臂梁柱達(dá)到共振,此時(shí)的頻率就是懸臂梁柱在水深115 mm處的 1 階頻率.

步驟6 用同樣的方法可得到在水深265 mm、滿水(373 mm)情況下懸臂梁柱的1,2,3階自振頻率.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同水位下懸臂梁的一階頻率與無水頻率相比的變化情況如圖5～7所示.

圖5 不同水位下懸臂梁柱一階頻率與無水頻率相比降低的百分率

圖6 不同水位下懸臂梁柱二階頻率與無水頻率相比降低的百分率

圖7 不同水位下懸臂梁柱三階頻率與無水頻率相比降低的百分率

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過圖5～7可以得出如下結(jié)論.

1)利用數(shù)值計(jì)算和2種實(shí)驗(yàn)不同方法獲得了懸臂結(jié)構(gòu)在空氣中的基頻,計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,說明共振法測(cè)試結(jié)果的可信性.

2)通過水-懸臂梁的耦合振動(dòng)實(shí)驗(yàn),證明了附聯(lián)水質(zhì)量會(huì)降低結(jié)構(gòu)的自振頻率,結(jié)構(gòu)在水中的固有頻率均比空氣中低.

3)隨著水深的增加,懸臂梁柱各階固有頻率降低程度逐漸加大,當(dāng)水位到達(dá)懸臂梁柱高度265 mm(71%)時(shí),水對(duì)結(jié)構(gòu)的自振頻率的影響已很大(1號(hào)試件最高達(dá)24.6%),因此,工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)予以考慮.

4)隨著水深的增加,三階頻率降低的百分率最高,一階頻率相對(duì)低些,說明懸臂梁柱的基頻受水深影響比高頻小.但滿水時(shí)各階頻率降低的百分率相差不多,這可能由于懸臂梁最高點(diǎn)是各階模態(tài)振動(dòng)位移最大處,所以滿水對(duì)各階頻率的影響都很大.剛度較小的1號(hào)懸臂梁柱的一階頻率降低的百分率比其他兩階稍大.

5)3組試件水中各頻率與無水頻率相比降低的百分率可以看出隨著水深的增加,1號(hào)懸臂梁降低的百分率最大,3號(hào)懸臂梁最小,說明剛度較小結(jié)構(gòu)的固有頻率受水阻尼影響較大,所以,設(shè)計(jì)深水域中如橋墩細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)一定要考慮水動(dòng)力作用的影響.

4 結(jié)束語(yǔ)

水-結(jié)構(gòu)的耦合振動(dòng)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題,鑒于工程需要和研究的不足,本文進(jìn)行了水中結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究,討論了水深對(duì)振動(dòng)特性的影響,得出了一些可供工程設(shè)計(jì)參考的數(shù)據(jù)和結(jié)論.但限于條件,本文只以較簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行了振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn),對(duì)于更復(fù)雜的問題如復(fù)雜形狀、復(fù)雜邊界條件下的水中結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性及其動(dòng)力響應(yīng)等還有待進(jìn)一步研究.

[1]居榮初,曾心傳.彈性結(jié)構(gòu)與液體的耦聯(lián)振動(dòng)理論[M].北京:地震出版社,1983.

[2]丁思遠(yuǎn).粘性流體對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率及阻尼的影響[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1994,9(4):50-53.

[3]林圣華.結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].南京:南京工學(xué)院出版社,1987.

[4]張 敏.橋墩與河水流固耦合振動(dòng)分析[D].大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院,2006.

[5]左東啟.模型實(shí)驗(yàn)的理論和方法[M].北京:水利電利出版社,1984.