水下悬浮隧道锚索的振动机理研究

针对水下悬浮隧道锚索，在考虑锚索空间耦合效应、锚索的垂度、高阶模态、周围水体对锚索的附加惯性力和水体阻尼力的条件下，推导水下悬浮隧道锚索-管体空间多模态耦合参数振动方程；采用Lyaponov指数法研究水下悬浮隧道锚索端部在轴向激励分别为简谐荷载、随机荷载以及两者共同作用下锚索的稳定性。基于尾流振子模型，建立水下悬浮隧道锚索在非均匀来流作用下顺流向与横向耦合涡激振动模型；通过有限元软件的数值模拟和该模型数值计算结果的对比，对该模型的准确度进行判断。根据Hamilton原理建立水下悬浮隧道锚索-黏弹性阻尼器空间振动方程，基于最优LQG控制理论，得到考虑锚索多阶模态振动时，黏弹性阻尼器最优阻尼系数的取值方法。该研究对于水下悬浮隧道锚索的振动机理以及减振措施具有重要意义。

水下悬浮隧道是一种具有独特优势的跨越长大水道的新型交通构筑物，锚索是其主要受力构件。水下悬浮隧道锚索阻尼小、柔度大，是一种极易发生振动的构件。本项目围绕水下悬浮隧道锚索的振动特性及振动控制等重要问题，进行了以下几方面研究：（1）水下悬浮隧道锚索随机振动研究；（2）水下悬浮隧道锚索的稳定性研究；（3）基于尾流振子模型的水下悬浮隧道锚索涡激动力响应；（4）水下悬浮隧道锚索-黏弹性阻尼器系统振动研究；（5）地震作用下水下悬浮隧道锚索的振动响应。研究结果表明：水下悬浮隧道锚索在零均值高斯白噪声激励下，经历一定时间后，锚索的位移和速度均方根响应将趋于稳定值；随机激励的功率谱密度相同时，水下锚索的速度和位移均方根响应比空气中的锚索小，所以水体阻尼力对锚索随机振动具有抑制作用；锚索参数振动失稳的范围不仅取决于索端激励幅值大小，而且取决于索端激励频率和锚索固有频率的关系；当索端激励频率为锚索固有频率2倍左右时，锚索最易发生失稳；当频率比为1和2左右时，随着锚索动静张力比的增大和阻尼比的减小，锚索逐渐从稳定状态转变为不稳定状态，且锚索的不稳定区域逐渐增大；锚索的垂度效应使得锚索的跨中位移关于中心位置呈现出不对称性；设置黏弹性被动控制阻尼器对锚索的涡激振动和参数振动均有较好的减振效果；不同场地类别的地震波对锚索的振动影响较大，由于锚索为较柔的结构，所以适合于软土地基的地震波对锚索的振动最为不利。本项目的研究结果丰富了水下悬浮隧道锚索的振动理论，具有一定的学术意义和工程意义。