冲击荷载作用下钢管桩的涡振研究

第２８卷第１期　２００６年２月　工程抗震与加固改建　Ｖｏ１．２８．Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２ｏ０６　Ｅａ￣ｈｑｕａｋｅ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ　［文章编号］１００２—８４１２（２００６｝０１—００３１—０４　冲击荷载作用下钢管桩的涡振研究　口苏　慧，龚维明，粱书亭／东南大学土木工程学院；混凝土及预应力混凝土教育部重点实验室　［摘要］　研究了海洋钢管桩搭设支撑前，在打设力、水流、波浪共同作用下引起的涡振机理。目的是解决海洋钢管桩在浪　流、打设力等冲击荷载作用下的破坏问题。提出涡振概念并分析产生涡振破坏的情况；建立钢管桩在冲击荷载作用下涡振合　成方程，并对涡振合成方程进行求解。结果表明，通过用非线性方法分析钢管桩的涡振机理、研究钢管桩的振动合成方程及　其解，可以有效地减轻结构在动力荷载作用下的反应与损伤、并有效地提高结构的抗振能力和抗灾性能．是抗振减灾积极有　效的对策，对工程实际具有重大理论价值。　［关键词］　涡振频率；涡振合成；疲劳损伤；疲劳　［中国分类号］　ＦＵ４７３．１　３；ＴＵ３１１．３　［文献标识码］Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｖｏｒｔｅｘ　Ｖｉｂｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ—Ｐｉｐｅ　Ｐｉｌｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　Ｈｉｔｔｉｎｇ　Ｌｏａｄ　［－Ｊ　Ｓｕ　Ｈｕｉ，Ｇｏｎｇ　Ｗｅｉ－ｍｉｎｇ，Ｌｉａｎｇ　Ｓｈｕ－ｔｉｎｇ／Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＣｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６，Ｃｈｉｎａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅａ　ｓｔｅｅｌ—ｐｉｐｅ　ｐｉｌｅｓ　ｆｏｒｃｅｄ　ｂｙ　ｈｉｔｔｉｎｇ，ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｗａｖｅ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｂｅｆｏｒｅ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ　ａｉｍ　ｉｓ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｓｅａ　ｓｔｅｅｌ—ｐｉｐｅ　ｐｉｌｅｓ　ｆｏｒｃｅｄ　ｂｙ　ａｎｙ　ｌｏａｄ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｈｉｔｔｉｎｇ．ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｗａｖｅ．　ｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｖｏｒｔｅｘ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｖｏｒｔｅｘ　ｄａｍａｇｅ　８ｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄｅｄ．ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｖｏｒｔｅｘ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｓｅｔ　ｕｐ．１１１ｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ＳＨＯＷＳ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ—ｐｉｐｅ　ｐｉｌｅｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ．ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｖｏｒｔｅｘ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｍａｙ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｅａｓｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｊｕｒｙ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｌｉｆｔ　ｔｈｅ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｎａｔｕｒａｌ　ｄｉｓａｓｔｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｉｓ　ｖａｌｉｄ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ　ｔｏ　ｒｅｓｉｓｔ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｄｉｓａｓｔｅｒ　ａｎｄ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｖａｌｕｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｔｏ　ａｃｔｕａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｖｏｒｔｅｘ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｖｏｒｔｅｘ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　１　前言　．　产生破坏，结构在打设过程冲击荷载作用下更容易　产生这种破坏。图ｌ、图２分别为苏通大桥钢管桩　在施工过程中桩产生很大幅度的摆动情况。图１为　钢管桩录相第２１Ｓ时的摆动情况，图２为钢管桩录　相第２３ｓ时的摆动情况。图３为钢管桩断裂情况。　最近，同济大学项海帆教授对大跨桥梁在风载　作用下的涡振机理进行了一系列的研究　。；天津大　本项目研究是针对苏通大桥、杭州湾大桥的钢　管桩在施工过程中出现断裂问题的分析研究，这种　由涡振引起的结构破坏常常出现在高层建筑、海上　灯标、大跨度桥梁、桥梁水下支撑超长桩、水上支撑　细柱等细长构筑物。它们主要承受水流、波浪、风等　动力载荷作用。在一定的雷诺数范围内，漩涡自桩　体上周期性的脱落，漩涡脱落是结构物绕流本身引　起的，结构物的振动又改变漩涡的脱落频率。当流　出的成对涡流频率和结构物自振频率重合时，在漩　学余建星、罗延生等对海底管跨的涡振机理进行了　一系列的研究　“　；哈尔滨船舶工程学院对在浪流　联合作用下圆柱、海洋平台张力腿（搭成支架使用　后）等刚性桩、柱的涡振机理进行了一系列的研　究　。但这方面的研究大多都集中在结构使用阶　段，对独立支撑的细长桩在加撑之前或与平台结构　涡脱落的激振力作用下，结构物将产生周期性振动，　振动把物体与流体的运动耦合起来形成共振，即产　生涡振　结构物将产生大幅度的变形和运动，甚至　连接之前，施工阶段却很少研究，这是一个迫切需要　［收稿日期］２００５．Ｉ）４．Ｏ８　［基金项目］　江苏省高校自然科学研究项目（０４ＫＪＤ５６００７４）　连云港市社会发展项目（ＳＨ０４２３）　解决的问题。　２钢管桩涡振合成方程及求解　２．１钢管桩在纵向打设力作用下的振动　维普资讯 http://www.cqvip.com

工程抗震与加固ｉ￣．ｔｌｔ，　２ＯＯ６年２月　圈１钢管桩录相第２１ｓ摆动情况　图２钢管桩录相第２ｒ●●｛　３ｓ摆动情况　似　；Ｕ　　ｄ　ｌｌ　ｐ　图３钢管桩断裂情况　由于钢管桩在打设时是冲击力的作用，因此在　此　忽略阻尼的作用，则锤打力ｐ作用下的振动方　程　为：　等＝　（　）＋ｐ（　（　）　钢管桩的应变为：ｅ。＝　，设钢管桩的初始条　件为：　“（　，Ｏ）＝　（　）：Ｅ。　～ｆＯ　ｔ　ｆ　，　＝：　（　）：　）＝　０　（２）钢管桩纵向自由振动的固有频率与主振型为：　＿Ｉ＝　２１——　（。（　＝　１　３　５…），，５，，…）　（３）　厂　口　√詈，口为弹性纵波沿钢管桩的纵向传播速度，　ｌ０为单位体积钢管桩的质量　、　（　）＝　ｓｉｎ　（　＝１，３，５…）　（４）　将主振型代入归一化条件　＝１（－『：１，２…）　（５）　得＇０　ｆｉｎ等）　ｄ　＝　：　（６）　＝　（７）　正则振型为：　（　）　√　ｓｉｎ嚣（　＝１，３．５．．．）（８）　正则坐标下的初始条件为：　１　．　（ｏ　』ｐａｅｏｘＢ　ｎ　ｄ　ｌ｛　＝　筹ｓｉｎ努　３．５＿．．）（９）　（ｏ）＝０（　＝１，３，５…）　（１ｏ）　∑　．　　一其中ｓｉｎ芋＝（一１）ｉ丁－Ｉ（　：ｌ，３，５…）。由于分布力　为零，所以：　（￡）：　（Ｏ）ｃ。ｓ　ｚ　．　　．于是钢管桩的振动为：　“（　）＝∑　（　）　（￡）　∞　呦　嚣．　ｉｎ　’　筹．ｓｊｎ害ｃｏｓ　（１１）　钢管桩自由端的振动为：　．　ｉ７ｒ　８　￣　ｏ：＿＿１意　孚哪　＝　名．　…　，　其中：　－＝　是钢管桩的基频，上式傅立叶级数形　式为．　＋号）。≤　≤云　ｔ　ｚ一擎）　暑≤ｚ≤　（１３）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２８卷第１期　苏　慧，等：冲击荷载作用下钢管桩的涡振研究　所以钢管桩自由端作周期振动的周期为：　：　：型　ａ　丧∑　ｃｏｓ竹】　＋　［　∑　（Ｄｔ　图４为钢管桩受纵向锤打荷载作用时，钢管桩　自由端的运动规律。　“　。ｆ）　彘∑　，￡）ｓｉｎ　］）　（１８）　＼　／／＿＼　．　设：　ＣＯ１＝罢删略＝ｎ　，　Ｖ　－＼一　们一　ｚ，则一　＝卺　．一．。　　唔　厶　ｓ∑扣　丧一１ｎ仇＋赢　２＿５　ｙ』（＾’￡）ｓｍ竹ｉｎ竹　图４纵向荷载作用下钢管桩自由端运动　厶了ｃ０　＋瘟厶　０　２．２钢管桩在水流、渡浪力作用下的振动　钢管桩在水流、波浪力作用下，由于波流联合作　用形成涡漩串产生的上串力使钢管桩振动，作者曾　钢管桩横向自振基频为：　：　／　，钢　有文章已作讨论，引用这篇论文的结论知：　管桩纵向自振基频为：∞　＝　钢管桩在水流、波浪作用下振动方程的解为：　（　）＝ｂ　∑　（￡）・Ｙ　（　，￡）ｓｉｎ（　￡＋　）　（１４）　此时钢管桩顶点最大位移为：　ｙｍ＝　＇／Ｊ　　ｒ　ｙｅ（ｈ）　’￡）ｓｉｎ　¨洲　）　Ａ　Ｂ９＿ｙ一去∑　ｓｉｎ（　＋竹）　￡０ｊ　神　２．３钢管桩在打设力、水流、波浪力作用下的涡振　合成　钢管桩自由端的振动为：　一　ｊ　蠹吉…　ｔ　Ｖ　＼　图５涡振台成自由端运动规律与　一　妻１１．ｓｉ　打设力作用运动规律比较图　：　“　（　”　¨　６）　…　一　设钢管桩在打设力、水流、波浪力作用下的合成涡振　４结论　方程解为：　本文对海洋钢管桩在搭设支架前、打设过程中　ｚ（　，ｔ）＝Ａ（ｓｉｎ￣ｏｔ＋　）　（１７）　所产生的振动进行研究，提出涡振概念，建立钢管桩　Ａ＝｛【　∑　１　ｓ　涡振合成方程及求解方法。得出以下结论：　（１）涡振是由于振动把物体与流体的运动耦合　起来形成的共振，该种共振对实际工程危害很大；　维普资讯 http://www.cqvip.com

・３４・　工程抗震与加固改琏　２００６年２月　（２）用非线性法研究钢管桩的振动合成方程及　其解，对工程实际具有重大理论价值；　（３）正确分析钢管桩的涡振机理，可以有效地减　轻结构在动力荷载作用下的反应和损伤、有效地提　高结构的抗振能力和抗灾性能，是抗振减灾积极有　效的对策。　参考文献：　糊动力可靠性研究［Ｊ］．地震工程与工程振动，２００２，　（１０）：３６—４０．　刘润，闰澍旺，等．随机场理论在海洋结构物地基可靠　度分析中的应用［Ｊ］．天津大学学报，２００３，（１）．　姚雄亮，陈起富．串列双圆柱在均匀流场中涡激振动　综述［Ｊ］．哈尔滨船舶工程学院学报，１９９４，（１２）：１一　ｌ５．　倪振华．振动力学［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，　１９８９．　［１］　陈爱荣，项海帆．斜拉桥涡激流转振动的被动控制　方华灿，陈国明．海洋平台结构整体疲劳寿命的预测　［Ｊ］．石油矿场机械，２０００，２９（５）：１—５．　［Ｊ］．同济大学学报。１９９４．　［２］　刘立名。余建星。等．基于非线性理论的海底管跨涡激　共振可靠性研究［Ｊ］．海洋技术，２００３，（６）．　张立，金伟良．海洋平台结构疲劳损伤与寿命预测方　法［Ｊ］．浙江大学学报，２００２，（３）：１３８—１４２．　［３］　余建星，等．船舶与海洋结构物可靠性原理［Ｍ］．天　津：天津大学出版社，２００１．　许亮斌，陈国明，陆玲．海洋石油平台冰激振动可靠性　分析［Ｊ］．石油工业技术监督，２００２。（１１）．　［４］余建星，孙大军，罗延生，等．涡激振动下管桥段的模　１Ｊ　１Ｊ　１ｌ¨　　１Ｊ　ｌ：　［作者简介］　苏慧（１９６８一），女。江苏连云港人，副教授，防灾减灾专业博士生，主要从事结构工程、防灾减灾研究，Ｅ－ｍａｉｈｕａｎｇｙｊ９９＠ｙａｈｏｏ．ｔｏｍ．ｃｎ　‘　龚维明（１９６５一）男，教授，博士，主要从事地下工程桩研究　梁书亭（１９６４　）男，博士，博导，教授，主要从事结构工程、防灾减灾研究　丁程系（２２２００６）　［通讯地址］　苏慧　连云港职业技术学院建筑＿（上接第４０页）　［４］瞿伟廉．高层建筑和高耸结构的风振控制设计［Ｍ］．　武汉测绘科技大学出版社，１９９１，１２．　［８］　滕军，谢旌．结构抗振抗风ＴＭＤ控制装置研究与应用　［Ｊ］．结构工程师，１９９７增刊．　［９］　滕军．结构振动控制调谐质量阻尼控制装置研究与应　用［Ａ］．结构工程学的研究现状与趋势［Ｃ］。同济大学　出版丰１：，ｌ９９５，１．　［５］李爱群、徐幼麟．合肥电视塔风振控制分析［Ｐ］．东南　大学与香港理工大学联合研究报告，１９９９。３．　［６］　王肇明等．电视塔结构ＴＭＤ风振控制研究与设计　［Ｊ］．建筑结构学报，１９９４，（５）．　［７］欧进萍、王有富．设置ＴＭＤ、ＴＬＤ控制系统的高层建筑　［１０］黄本才．结构抗风分析原理及应用［Ｍ］．上海：同济大　学出版社，２００１，２．　［１１］　张相庭．国内外风荷载规范的评估和展望［Ｊ］．同济大　学学报，２００２，５：５３９—５４３．　风振分析与设计方法［Ｊ］．地震工程与工程振动，　ｌ９９４．１４（３）．　［作者简介］滕军（１９６２一），男，教授，博导．研究方向为结构控制与结构健康监测　［单位地址］　深圳市南山区西丽深圳大学城　哈尔滨工业大学深圳研究生院（５１９０５５）　叫、资料・　中国抗震古建筑　中国古建筑是以木构架为骨干，柱梁承重，墙壁、门窗仅做围护，并不负担屋顶的重量。榫卯结构是中国古建筑　中特有的弹性框架结构，榫卯的出现是中国建筑史上的一个伟大创举。中国古建筑的这种木构架，下有立柱、上有梁　桁，在梁桁与立柱之间的过渡部分运用“斗拱”构件，这种构件全面运用榫卯技术，使出檐向外远伸，利用木材的柔性　材性，达到很好的抗震性能。我国民间有一句谚语，叫做“墙倒屋不塌”，形象地说明了这个结构的原理。　我国古代许多重要的建筑均体现了榫卯结构的良好应用。例如山西应县木塔、晋祠圣母殿、万荣飞云楼等。　（孙燕娜）