水激振動(dòng)解決方法

影響水激振動(dòng)的因素較為復(fù)雜，過水建筑物又形態(tài)多變，因此尚無普遍適用的規(guī)律可循。而解決實(shí)際問題的方法，基本上還是依靠模型試驗(yàn)及原型觀測(cè)。中國最早進(jìn)行彈性振動(dòng)模擬試驗(yàn)的工程實(shí)例是河南省三義寨人民躍進(jìn)渠首的弧形閘門。

(1)自激振動(dòng)。結(jié)構(gòu)物振動(dòng)的能量來自水流，但水流的脈動(dòng)卻是結(jié)構(gòu)物振動(dòng)的直接后果。例如閘門止水有漏水的縫隙使止水振動(dòng)，而止水的振動(dòng)可使水流產(chǎn)生脈動(dòng)。

(2)自控振動(dòng)。水流的脈動(dòng)激發(fā)結(jié)構(gòu)物振動(dòng)，而結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)又對(duì)水流的脈動(dòng)產(chǎn)生制約作用，這兩種作用達(dá)到平衡，使振動(dòng)呈相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。如繞流物體后穩(wěn)定的卡門渦街引起的物體振動(dòng)。

(3)強(qiáng)迫振動(dòng)。結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)對(duì)水流脈動(dòng)無明顯反饋?zhàn)饔谩＠绮ɡ思ぐl(fā)的建筑物振動(dòng)，水躍激發(fā)的閘門振動(dòng)等。

水激振動(dòng)結(jié)構(gòu)物（水工建筑物）的動(dòng)力試驗(yàn)

雖然現(xiàn)在計(jì)算技術(shù)得到了很大發(fā)展，但動(dòng)力試驗(yàn)仍是解決水激振動(dòng)的主要手段。一般通過結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)研究的主要內(nèi)容為：

(1)確定結(jié)構(gòu)物在線彈性范圍內(nèi)的動(dòng)力特性。如所有有意義的自振頻率和相應(yīng)的振型，它們的阻尼值。這些動(dòng)力特性可由模型試驗(yàn)或由原型試驗(yàn)求得。

(2)確定各種特定荷載下的動(dòng)力反應(yīng)。如動(dòng)應(yīng)力和位移等。原型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力試驗(yàn)主要有人工加振和利用自然振動(dòng)兩種措施。模型試驗(yàn)的動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)壳爸饕屑ふ衿骱驼駝?dòng)臺(tái)兩種方法。

水工建筑物的水彈性試驗(yàn)要求同時(shí)滿足“動(dòng)荷載”輸入系統(tǒng)相似和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)系統(tǒng)相似，其結(jié)果將要求材料容重比尺等于1，彈性模量比尺等于模型幾何比尺，阻尼比比尺等于1，泊松比比尺等于1，并合理地選取模擬范圍，即邊界條件要求相似。要完整地滿足上述要求是相當(dāng)困難的。一般只能使其中主要項(xiàng)目滿足相似要求。

文獻(xiàn)中也曾有人先將作用在水工結(jié)構(gòu)物上的水流脈動(dòng)載荷與結(jié)構(gòu)物的自振特性分別定出，然后再用一般動(dòng)力分析把二者結(jié)合起來從而得出水彈性振動(dòng)特性，現(xiàn)在用這種辦法的已逐漸減少。

振動(dòng)是物體沿直線或曲線并經(jīng)過其平衡位置所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。一般指機(jī)械振動(dòng)。在科學(xué)技術(shù)中振動(dòng)一詞通常指周期性振動(dòng)，即每經(jīng)過一定時(shí)間后，振動(dòng)體回到原來的位置。象鐘擺、弦線、音叉等的運(yùn)動(dòng)都是。其它如一個(gè)物理量通過某一恒定值而在其最大值和最小值之間往復(fù)變化的過程，也稱振動(dòng)。例如交變電磁場(chǎng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)強(qiáng)度，交流電中的電流強(qiáng)度、電壓等。物體隨時(shí)間按正弦或余弦規(guī)律變化的過程，稱諧振動(dòng)，一般用A=A₀sin (ωt θ)表示(A_o為最大振幅，ω是角頻率，θ為初相，t為時(shí)間)。如懸掛在彈簧下端的物體的運(yùn)動(dòng)就是一種諧振動(dòng)。物體在不受外力而阻尼又可忽略的情況下，自然進(jìn)行的振動(dòng)稱固有振動(dòng)。如擊鼓后鼓膜的振動(dòng)，充電電容器和電感線圈聯(lián)成回路后，電路中電流的振蕩等。振動(dòng)系統(tǒng)受到阻力作用，造成能量損失而使振幅逐漸減小的振動(dòng)，稱阻尼振動(dòng)。如單擺因受空氣阻力，振蕩電路中由于電阻及電磁輻射而使振幅逐漸衰減的振動(dòng)。振動(dòng)系統(tǒng)在周期性或非周期性的外力作用下所作的振動(dòng)，稱受迫振動(dòng)。此外，不具有周期性規(guī)律的振動(dòng)，稱無規(guī)振動(dòng)或隨機(jī)振動(dòng)。任何復(fù)雜的振動(dòng)都可以由許多不同頻率和振幅的諧振動(dòng)合成，諧振動(dòng)是最簡(jiǎn)單的也是最基本的振動(dòng)。

對(duì)于海洋工程上普遍采用的圓柱形斷面結(jié)構(gòu)物，這種交替發(fā)放的瀉渦又會(huì)在柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動(dòng)壓力。如果此時(shí)柱體是彈性支撐的，或者柔性管體允許發(fā)生彈性變形，那么脈動(dòng)流體力將引發(fā)柱體(管體)的周期性振動(dòng)，這種規(guī)律性的柱狀體振動(dòng)反過來又會(huì)改變其尾流的瀉渦發(fā)放形態(tài)。這種流體一結(jié)構(gòu)物相互作用的問題被稱作“渦激振動(dòng)”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在處理渦激振動(dòng)問題時(shí)，把流體和固體彈性系統(tǒng)作為一個(gè)統(tǒng)一的動(dòng)力系統(tǒng)加以考慮，并找到兩者的耦合條件，是解決這個(gè)問題的重要關(guān)鍵。在渦激振動(dòng)過程中，流體的動(dòng)壓力是一種作用于彈性系統(tǒng)的外加載荷，動(dòng)壓力的大小取決于彈性系統(tǒng)振動(dòng)的位移、速度和加速度;另一方面，流體動(dòng)壓力的作用又會(huì)改變彈性系統(tǒng)振動(dòng)的位移、速度和加速度。這種互相作用的物理性質(zhì)表現(xiàn)為流體對(duì)于彈性系統(tǒng)在慣性、阻尼和彈性諸方面的耦合現(xiàn)象。

由慣性耦合產(chǎn)生附連質(zhì)量，在有流速場(chǎng)存在的條件下，由阻尼耦合產(chǎn)生附連阻尼，由彈性耦合產(chǎn)生附連剛度。流體的附連質(zhì)量、阻尼和剛度取決于流場(chǎng)的流動(dòng)特征參量（諸如流速、水深、流量等）、邊界條件以及彈性系統(tǒng)的特性，其關(guān)系式相當(dāng)復(fù)雜。用實(shí)驗(yàn)或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問題研究中的重要課題。

實(shí)驗(yàn)證明，漩渦的發(fā)放頻率f可用無量綱參數(shù)斯特勞哈爾數(shù)St（Strouhal Number）來表示，表達(dá)式為：

f=St*V/D

St是構(gòu)件剖面形狀與雷諾數(shù)Re的函數(shù)，其定義式為St=D/（V*T）。

其中：V為垂直于構(gòu)件軸線的速度（m/s）；

D為圓柱直徑或柱體的其他特征長度（m）；

T為相關(guān)的特征時(shí)間（s）。

假若構(gòu)件的自振頻率與漩渦的發(fā)放頻率相接近就會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振破壞，這種現(xiàn)象容易發(fā)生在高聳結(jié)構(gòu)物上，因此這種渦激振動(dòng)是極其有害的，需采取措施阻止它的發(fā)生。一般可采取兩方面措施：一是對(duì)于構(gòu)件進(jìn)行剛性加固，或者增大尺度提高其剛度，改變構(gòu)件的自振頻率，避免它與漩渦發(fā)放頻率相接近；二是想辦法改變構(gòu)件后的尾流場(chǎng)，破壞尾流場(chǎng)漩渦的規(guī)律性泄放，如在結(jié)構(gòu)上安裝螺旋線立板和改變結(jié)構(gòu)截面形狀等。