悬浮隧道锚索振动分析研究进展

刘 欣 孙胜男（聊城大学建筑工程学院 聊城 252059）

悬浮隧道锚索振动分析研究进展

刘 欣 孙胜男
（聊城大学建筑工程学院 聊城 252059）

目前，悬浮隧道锚索的振动可以大致分为两种类型，一是锚索的强迫振动，如环境荷载作用下的涡激振动等；二是由隧道管体运动引发的参数振动，这类参数振动又可以分为两类，分别是锚索及隧道管体线性耦合引起的振动与参数激励振。本文就锚索的涡激振动、参数振动以及稳定性研究这三个方面展开了论述，经分析发现，悬浮隧道锚索的幅值、水流速度、系统阻尼比以及频率比都会导致锚索不同程度的振动，所以对悬浮隧道锚索的振动进行分析是很有必要的。此外，应深入研究预防或减弱振动危害的方法和措施。

悬浮隧道；锚索；涡激振动；参数振动

如今，悬浮隧道的建造变得越来越广泛了，它通过水的浮力和锚固作用可以悬浮在水中特定位置的特性，使它在跨越水域方面的影响力和震撼力不可小觑。它是继海底隧道后的一种新的跨越海峡、大江湖泊、水道的交通结构物。鉴于它的结构稳定原理是在阿基米德的浮力定律的基础上，所以它又叫阿基米德桥。根据悬浮隧道锚固方式的不同，可以把悬浮隧道分为锚索式悬浮隧道、浮筒式悬浮隧道及固定式悬浮隧道[1]，其中锚索式悬浮隧道应用的最为广泛。本文以锚索式悬浮隧道为研究对象，主要分析了悬浮隧道锚索的一些振动特性。

锚索是悬浮隧道的主要承载结构或构件，它的一端固定在隧道管体上，另一端锚固在基础上，它具有柔度大、阻尼小等特征，是一种非常容易振动的工程构件。因为锚索是位于水面30米深度以下，所以它的振动主要是受波浪和海流的作用而产生的，它的这种振动及受力方式和斜拉桥拉索非常相似。现有斜拉索的研究分析表明：拉索极易在各种激励下产生不同的振动，而且随着现代斜拉桥跨径的日益增加，拉索的振动问题也越来越突出[2]。因此悬浮隧道锚索的振动需要引起关注，本文接下来就部分学者展开的相应研究进行分析。

1 涡激振动

由于悬浮隧道锚索处于水面以下30米，所以它的涡激振动主要是由于波浪以及水流对于锚索的两侧交替产生的旋涡作用。假如构件的自振频率和水流及波浪产生的旋涡的发放频率正好耦合的话，就会发生共振现象。因此涡激振动是一种非常有害的现象，对其进行有效的研究分析是很有必要的。

考虑悬浮隧道外激励作用，葛斐[3]等探讨了锚索的顺流方向的涡激振动问题，得出了水中悬浮隧道锚索在波流场中的涡激动力响应。为探究悬浮隧道锚索高阶涡激非线性振动响应，孙胜男和陈健云[4]采用多阶伽辽金法对悬浮隧道锚索多阶涡激非线性振动的反应情况进行了分析。项贻强和晁春峰[5]运用Hamilton原理，推导了管体及锚索系统运动的微分方程组，利用变量分离法及振型叠加法进行了化简及求解，探讨了悬浮隧道锚索和管体耦合系统的非线性涡激特性。

研究表明：涡激振动会造成锚索的大幅振动；一阶涡激振动的响应最大，阶数越高，产生的动态响应越小；外激励作用下发生的涡激振动的振幅比没有外激励作用下产生的振幅明显高出很多；增加锚索的阻尼和管体的阻尼都能够明显减小锚索的振幅。

2 参数振动

参数振动是除自由振动、受迫振动和自激振动以外的又一种振动形式，它是由外界的激励产生，但激励不是以外力形式施加于系统，而是通过系统内参数的周期性改变间接地实现。它的出现也会对锚索产生严重的危害和经济上的损失，所以对锚索参数振动的研究是必须的。

孙胜男[6]等在考虑了锚索的垂度效应以及水体对锚索影响的情况下，对隧道管体-锚索耦合非线性参数振动进行了分析。2011年，孙胜男[7]等又对轴向激励下的悬浮隧道锚索的参数振动进行了研究并归纳和总结出了其相应的特性。

研究表明：当参数激励频率与锚索的振动频率的比值达到某一区间时，就会发生共振现象；另外，水体对锚索产生的附加惯性力也可以减小锚索的振幅；悬浮隧道锚索的内外直径比也会对锚索的垂度、水体对锚索产生的附加惯性力等造成一定的影响，这样间接的也会对锚索的振幅产生不同程度的变化。

3 稳定性研究

悬浮隧道锚索在各种振动作用下会产生不同程度的振幅，这使得锚索很容易发生失稳现象，并对悬浮隧道的安全和建设造成了不可磨灭的影响，所以它的稳定性规律及影响因素值得深究。

苏志彬和孙胜男[8]采用 Lyapunov指数法对参数激励作用下锚索的稳定性进行了判断和分析。锚索振动稳定性的影响因素很多，这里主要针对锚索索端的激励振幅值、系统阻尼比及锚索索端激励频率与锚索固有频率的比值进行了探究。刘斌[9]等对悬浮隧道锚索涡激振动的稳定性进行了探究，得出了锚索初张力、阻尼比、均匀流速和涡激振动频率对锚索振动稳定性的影响。

研究表明：锚索振动系统的初张力、阻尼比越大,锚索就越容易处于稳定状态；均匀流速的增大,会导致锚索逐渐从稳定状态转变至失稳状态；当激励频率与锚索的固有频率相近时，会发生共振现象,这时锚索最容易发生失稳。

4 结论

本文就现有的一些对悬浮隧道锚索的振动及其稳定性的研究做出了相应的综述和概括。目前，悬浮隧道锚索的振动大致分为两类：一是由于荷载作用引起的振动，比如海流、波流、涡街等引发的锚索的涡激振动；二是由隧道管体运动引发的锚索的参数振动，这类参数振动又可以大致分为两类，分别是锚索和隧道管体线性耦合引起的振动和参数激励振动。从现有研究中可以发现，悬浮隧道锚索的振幅、水流速度、系统阻尼比以及频率比都会导致锚索不同程度的振动，有时还会造成特别严重的损失，因此对悬浮隧道锚索的振动分析研究是很有必要的。除此之外，我们更应该深入研究出预防或减弱振动危害的方法和措施。

[1]罗刚, 周晓军. 悬浮隧道锚索涡激疲劳损伤分析 [J]. 西南交通大学学报, 2014, 49(4): 642-648.

[2]王修勇, 陈政清, 倪一清, 胡建华. 环境激励下斜拉桥拉索的振动观测研究[J]. 振动与冲击, 2006, 25(2): 138-144.

[3]葛斐, 董满生, 惠磊, 洪友士. 水中悬浮隧道锚索在波流场中的涡激动力响应 [J]. 工程力学, 2006, 23(z1): 217-221.

[4]孙胜男, 陈健云. 悬浮隧道锚索多阶涡激非线性振动 [J]. 大连海事大学学报, 2007 ,33(4): 86-90.

[5]项贻强, 晁春峰. 悬浮隧道管体及锚索耦合作用的涡激动力响应 [J]. 浙江大学学报, 2012, 46(3): 409-415.

[6]Sun Shengnan, Chen Jianyun, Li Jing. Non-linear response of tethers subjected to parametric excitation in submerged floating tunnels [J]. China Ocean Engineering, 2009, 23(1): 167-174.

[7]孙胜男, 苏志彬, 白卫峰. 轴向激励下悬浮隧道锚索参数振动分析 [J]. 工程力学, 2011, 28(6): 170-175.

[8]苏志彬, 孙胜男. 参数激励作用下水下悬浮隧道锚索的稳定性研究 [J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(6): 2549-2553.

[9]刘斌, 刘祚秋, 巫志文. 基于 Lyapunov指数的悬浮隧道锚索振动稳定分析[J]. 人民长江, 2015, 46(11): 61-64.

U459.5

A

1007-6344（2016）06-0111-01

山东省自然科学基金资助项目（编号：ZR2015EL045）。

刘欣（1993-），女，湖北孝感人，硕士研究生，从事悬浮隧道锚索振动研究。

*孙胜男（1982-），女，山东莱阳人，副教授，博士，从事悬浮隧道动力响应研究；