悬浮隧道水下锚索抑振装置试验研究

    晁春峰 项贻强 杨赢 何余良 王湛

    

    

    

    摘要： 悬浮隧道锚索是连接悬浮隧道管体与水下基础的重要构件，其在水流作用下可能会发生涡激振动，导致结构疲劳，影响结构安全。因而，研究悬浮隧道锚索涡激振动的抑制方法，具有重要的理论和现实意义。设计了三种抑振装置：螺旋条纹，控制杆和整流罩，采用试验方法研究了其抑振的有效性和适用性。通过试验发现，随着锚索倾斜角度的减小，三种抑振装置的抑振效果均有不同程度的提高，其中以三螺旋线的抑振效果最好且最稳定；随着来流角度的增大，三螺旋线和整流罩的抑振效果会不同程度的提升，但三控制杆对来流角度变化较为复杂；在多参数综合影响下，三螺旋线的抑振性能最好，推荐使用。关键词： 悬浮隧道； 涡激振动； 振动抑制； 节段模型试验

    中图分类号：U459.5文献标志码： A文章编号： 10044523（2016）04068707

    DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.016

    引言

    悬浮隧道（Submerged Floating Tunnel，简称SFT）是一种新型水下交通结构物，其锚索是连接悬浮隧道管体与水下基础，确保管体悬浮于水中一定深度及限制管体竖向和横向位移的重要构件[1]。当周围水体流经锚索时，会产生漩涡脱落，从而对锚索产生周期性变化的作用力，引发锚索的涡激振动（VortexInduced Vibration，简称VIV）[24]。一般水下锚索自振频率较低，有较大可能性与涡脱频率接近，发生频率锁定（Lockin）现象。频率自锁现象会造成锚索结构大幅振动，加剧锚索的疲劳破坏，对结构安全产生极大威胁。因而，研究悬浮隧道锚索涡激振动的抑制方法，具有重要的理论和现实意义[5]。

    对于悬浮隧道锚索的涡激振动研究，陈健云[6]、麦继婷[7]等均取得了很有意义的成果，但是目前对于悬浮隧道锚索涡激振动抑制方法的研究几乎空白，而在海洋工程中，关于海洋立管涡激振动抑制方法的研究成果却比较丰富[810]。目前抑制海洋立管涡激振动的主要方法分为两个方面：①主动控制：通过调整结构自身动力特性，削弱涡激振动对其的影响；②被动控制：控制和改变漩涡的形成和发展过程，减小涡激力。主动控制是将外部扰动引入流场，以此控制漩涡脱落，其适用面较广但成本较高，可操作性差；被动控制是通过在柱体表面安装抑振装置改变柱体的流场形态，实现抑制漩涡脱落，其成本低，可操作性强，但是只能在某些条件下发挥作用，并带来拖曳力增大等副作用。本文主要研究采用被动控制即在锚索表面安装抑振装置来达到抑制锚索涡激振动的目的。

    由于世界上尚未建成一座悬浮隧道，因此悬浮隧道锚索抑振装置的设计参考了海洋立管抑振装置的设计。几十年来，研究者们从漩涡脱落的不同过程入手，提出了不少海洋立管抑振措施形式和装置[1113]。影响分离线或分离剪切层的有螺旋条纹、轴向调板、螺栓、翼片等；影响卷吸层的裹覆装置有套管、丝网、控制杆和轴板等；阻止卷吸层相互作用的有飘带、整流罩、分隔板等。

    虽然悬浮隧道锚索与海洋立管同属圆柱体，但是悬浮隧道锚索除了竖直布置外，更多的则为倾斜布置，因而海洋立管涡激振动抑振装置能否直接用于悬浮隧道锚索抑振值得商榷。经综合分析相关研究后，本文对上述三类抑振装置分别选取一种装置，研究其对悬浮隧道锚索抑振的有效性和适用性。这三种装置分别为：螺旋条纹，控制杆和整流罩。

    Abstract： The cables are the important components of submerged floating tunnel which connect the tube with the underwater foundation， but the vortexinduced vibration of cables will occur under the current that will lead to fatigue and affect the safety. Thus， the study of VIV suppression method has important theoretical and practical significance. In this paper， three kinds of vibration suppression devices were presented： strakes， control rods and fairings， of which the validity and applicability were researched by experiments. The results show that the suppression effect of all the three devices will increase to various extents with the decrease of the cable inclination angle and the strakes are the best. As the angle of stream increases， the suppression effect of strakes and fairings are increased， but that of the control rods are complicated. Finally， the strakes are recommended to use because of the best performance in the multiparameters researches.

    Key words： submerged floating tunnel； vortexInduced vibration； vibration suppression； segment model