港湾码头圆柱桩的涡致振动及防止措施

孙峙宇

（中国铁建港航局集团有限公司第一工程分公司 珠海 519000）

在水运交通工程中，由于施工方式相对简单，混凝土圆柱桩得到了广泛应用，包括单桩、群桩等。但施工中发现在某些水文条件下，有些桩出现明显的晃动，如黄河上某桥梁施工时就发现此种情况。对此，笔者应用流体涡旋振动理论进行了探索，对流体涡旋状况及桩的固有频率进行了分析比较，证实了在一定的水流状态下不可忽略流体涡旋对桩的作用。

1 水流诱发的结构自振

一个处于流水中的圆柱体，当流体微团到圆柱体的前缘时受到阻滞，按照伯努里定理，其动能转变为压力能，前缘压力增长到总压头，在前缘附近形成高压区，促使紧贴圆柱表面的附面层向后侧延伸，当雷诺数达到一定数值（Re＝150），圆柱体的背后形成交替错开的2排旋涡，当Re大于300时，在圆柱体下游距圆柱体超过50倍直径的地方，旋涡全部变成湍流。由于湍流在下游结构的侧面流动，从而使圆柱体受到一个正交于水流方向的正弦变化力，引起激振。此旋涡的频率fs主要取决于水的流速和圆柱体直径D。

流速，当雷诺数在3×105～3.5×106范围内时，其数值为0.2～0.24，故有

当激振频率fs接近结构的自振频率时，结构就会发生共振。

2 圆柱体混凝土桩的流体诱发振动

在港湾码头工程中，大量使用圆柱形混凝土桩，即将一些圆柱形混凝土桩打入河床中并让其自由站立，形成一个固支悬臂梁，见图1。

图1 圆柱混凝土桩示意图

设梁悬臂部分的质量为m，直径为D，长度为l，距离根部x处的挠度y取为［2］

式中：yl为桩项的挠度。

则有

于是

又有

从而得到圆频率为

式中：E为材料的弹性模量；I为截面的惯性矩。

设混凝土桩的直径为1m，桩伸出河床20m，混凝土的密度为2 400kg／m3，弹性模量E＝14×106kN／m2，将它们代入圆频率表达式，得到

ω＝5.53rad／s，即f＝0.88Hz。当fs＝0.88Hz时，则由斯特罗哈数知

即当水的流速v为4m／s时，桩将产生共振。由于水流的持续作用引起桩的激振。

为了防止激振造成的危害，可采取一定的技术措施［3］：

（1）错开旋涡频率ωs与结构的固有频率ωn。在设计阶段，不仅可改变结构的固有频率ωn，也可改变ωs。对于已建成的结构，其固有频率不能改变，结构的特征尺寸和流速也不易改变，对此只能采取改变其结构外形，提高光洁度等措施，改变斯特罗哈数。

（2）采用旋涡干扰装置。（3）增加结构的阻尼。

3 结语

本文根据港湾工程中广泛使用的圆柱体混凝土桩在水流中产生的自激振动现象，通过分析验算，探讨了水流诱发涡致振动的条件。分析表明，在一定的水流条件下，不能忽略流体涡旋对桩的作用，这对克服桩自激振动的实际问题非常重要。

［1］张相庭.结构风压和风振计算［M］.上海：同济大学出版社，1985.

［2］［日］井町勇.机械振动学［M］.尹传家，黄怀德，译.北京：科学出版社，1979.

［3］丁文镜.工程中的自激振动［M］.长春：吉林教育出版社，1988.