港灣碼頭圓柱樁的渦致振動(dòng)及防止措施

孫峙宇

（中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司第一工程分公司 珠海 519000）

在水運(yùn)交通工程中，由于施工方式相對(duì)簡(jiǎn)單，混凝土圓柱樁得到了廣泛應(yīng)用，包括單樁、群樁等。但施工中發(fā)現(xiàn)在某些水文條件下，有些樁出現(xiàn)明顯的晃動(dòng)，如黃河上某橋梁施工時(shí)就發(fā)現(xiàn)此種情況。對(duì)此，筆者應(yīng)用流體渦旋振動(dòng)理論進(jìn)行了探索，對(duì)流體渦旋狀況及樁的固有頻率進(jìn)行了分析比較，證實(shí)了在一定的水流狀態(tài)下不可忽略流體渦旋對(duì)樁的作用。

1 水流誘發(fā)的結(jié)構(gòu)自振

一個(gè)處于流水中的圓柱體，當(dāng)流體微團(tuán)到圓柱體的前緣時(shí)受到阻滯，按照伯努里定理，其動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，前緣壓力增長(zhǎng)到總壓頭，在前緣附近形成高壓區(qū)，促使緊貼圓柱表面的附面層向后側(cè)延伸，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定數(shù)值（Re＝150），圓柱體的背后形成交替錯(cuò)開的2排旋渦，當(dāng)Re大于300時(shí)，在圓柱體下游距圓柱體超過50倍直徑的地方，旋渦全部變成湍流。由于湍流在下游結(jié)構(gòu)的側(cè)面流動(dòng)，從而使圓柱體受到一個(gè)正交于水流方向的正弦變化力，引起激振。此旋渦的頻率fs主要取決于水的流速和圓柱體直徑D。

流速，當(dāng)雷諾數(shù)在3×105～3.5×106范圍內(nèi)時(shí)，其數(shù)值為0.2～0.24，故有

當(dāng)激振頻率fs接近結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生共振。

2 圓柱體混凝土樁的流體誘發(fā)振動(dòng)

在港灣碼頭工程中，大量使用圓柱形混凝土樁，即將一些圓柱形混凝土樁打入河床中并讓其自由站立，形成一個(gè)固支懸臂梁，見圖1。

圖1 圓柱混凝土樁示意圖

設(shè)梁懸臂部分的質(zhì)量為m，直徑為D，長(zhǎng)度為l，距離根部x處的撓度y取為［2］

式中：yl為樁項(xiàng)的撓度。

則有

于是

又有

從而得到圓頻率為

式中：E為材料的彈性模量；I為截面的慣性矩。

設(shè)混凝土樁的直徑為1m，樁伸出河床20m，混凝土的密度為2 400kg／m3，彈性模量E＝14×106kN／m2，將它們代入圓頻率表達(dá)式，得到

ω＝5.53rad／s，即f＝0.88Hz。當(dāng)fs＝0.88Hz時(shí)，則由斯特羅哈數(shù)知

即當(dāng)水的流速v為4m／s時(shí)，樁將產(chǎn)生共振。由于水流的持續(xù)作用引起樁的激振。

為了防止激振造成的危害，可采取一定的技術(shù)措施［3］：

（1）錯(cuò)開旋渦頻率ωs與結(jié)構(gòu)的固有頻率ωn。在設(shè)計(jì)階段，不僅可改變結(jié)構(gòu)的固有頻率ωn，也可改變?chǔ)豷。對(duì)于已建成的結(jié)構(gòu)，其固有頻率不能改變，結(jié)構(gòu)的特征尺寸和流速也不易改變，對(duì)此只能采取改變其結(jié)構(gòu)外形，提高光潔度等措施，改變斯特羅哈數(shù)。

（2）采用旋渦干擾裝置。（3）增加結(jié)構(gòu)的阻尼。

3 結(jié)語

本文根據(jù)港灣工程中廣泛使用的圓柱體混凝土樁在水流中產(chǎn)生的自激振動(dòng)現(xiàn)象，通過分析驗(yàn)算，探討了水流誘發(fā)渦致振動(dòng)的條件。分析表明，在一定的水流條件下，不能忽略流體渦旋對(duì)樁的作用，這對(duì)克服樁自激振動(dòng)的實(shí)際問題非常重要。

［1］張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)壓和風(fēng)振計(jì)算［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1985.

［2］［日］井町勇.機(jī)械振動(dòng)學(xué)［M］.尹傳家，黃懷德，譯.北京：科學(xué)出版社，1979.

［3］丁文鏡.工程中的自激振動(dòng)［M］.長(zhǎng)春：吉林教育出版社，1988.