懸浮隧道水下錨索抑振裝置試驗研究

晁春峰 項貽強 楊贏 何余良 王湛

摘要： 懸浮隧道錨索是連接懸浮隧道管體與水下基礎(chǔ)的重要構(gòu)件，其在水流作用下可能會發(fā)生渦激振動，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞，影響結(jié)構(gòu)安全。因而，研究懸浮隧道錨索渦激振動的抑制方法，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。設(shè)計了三種抑振裝置：螺旋條紋，控制桿和整流罩，采用試驗方法研究了其抑振的有效性和適用性。通過試驗發(fā)現(xiàn)，隨著錨索傾斜角度的減小，三種抑振裝置的抑振效果均有不同程度的提高，其中以三螺旋線的抑振效果最好且最穩(wěn)定；隨著來流角度的增大，三螺旋線和整流罩的抑振效果會不同程度的提升，但三控制桿對來流角度變化較為復(fù)雜；在多參數(shù)綜合影響下，三螺旋線的抑振性能最好，推薦使用。關(guān)鍵詞： 懸浮隧道； 渦激振動； 振動抑制； 節(jié)段模型試驗

中圖分類號：U459.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 10044523（2016）04068707

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.016

引言

懸浮隧道（Submerged Floating Tunnel，簡稱SFT）是一種新型水下交通結(jié)構(gòu)物，其錨索是連接懸浮隧道管體與水下基礎(chǔ)，確保管體懸浮于水中一定深度及限制管體豎向和橫向位移的重要構(gòu)件[1]。當(dāng)周圍水體流經(jīng)錨索時，會產(chǎn)生漩渦脫落，從而對錨索產(chǎn)生周期性變化的作用力，引發(fā)錨索的渦激振動（VortexInduced Vibration，簡稱VIV）[24]。一般水下錨索自振頻率較低，有較大可能性與渦脫頻率接近，發(fā)生頻率鎖定（Lockin）現(xiàn)象。頻率自鎖現(xiàn)象會造成錨索結(jié)構(gòu)大幅振動，加劇錨索的疲勞破壞，對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生極大威脅。因而，研究懸浮隧道錨索渦激振動的抑制方法，具有重要的理論和現(xiàn)實意義[5]。

對于懸浮隧道錨索的渦激振動研究，陳健云[6]、麥繼婷[7]等均取得了很有意義的成果，但是目前對于懸浮隧道錨索渦激振動抑制方法的研究幾乎空白，而在海洋工程中，關(guān)于海洋立管渦激振動抑制方法的研究成果卻比較豐富[810]。目前抑制海洋立管渦激振動的主要方法分為兩個方面：①主動控制：通過調(diào)整結(jié)構(gòu)自身動力特性，削弱渦激振動對其的影響；②被動控制：控制和改變漩渦的形成和發(fā)展過程，減小渦激力。主動控制是將外部擾動引入流場，以此控制漩渦脫落，其適用面較廣但成本較高，可操作性差；被動控制是通過在柱體表面安裝抑振裝置改變柱體的流場形態(tài)，實現(xiàn)抑制漩渦脫落，其成本低，可操作性強，但是只能在某些條件下發(fā)揮作用，并帶來拖曳力增大等副作用。本文主要研究采用被動控制即在錨索表面安裝抑振裝置來達(dá)到抑制錨索渦激振動的目的。

由于世界上尚未建成一座懸浮隧道，因此懸浮隧道錨索抑振裝置的設(shè)計參考了海洋立管抑振裝置的設(shè)計。幾十年來，研究者們從漩渦脫落的不同過程入手，提出了不少海洋立管抑振措施形式和裝置[1113]。影響分離線或分離剪切層的有螺旋條紋、軸向調(diào)板、螺栓、翼片等；影響卷吸層的裹覆裝置有套管、絲網(wǎng)、控制桿和軸板等；阻止卷吸層相互作用的有飄帶、整流罩、分隔板等。

雖然懸浮隧道錨索與海洋立管同屬圓柱體，但是懸浮隧道錨索除了豎直布置外，更多的則為傾斜布置，因而海洋立管渦激振動抑振裝置能否直接用于懸浮隧道錨索抑振值得商榷。經(jīng)綜合分析相關(guān)研究后，本文對上述三類抑振裝置分別選取一種裝置，研究其對懸浮隧道錨索抑振的有效性和適用性。這三種裝置分別為：螺旋條紋，控制桿和整流罩。

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