孫峙宇
(中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司第一工程分公司 珠海 519000)
在水運(yùn)交通工程中,由于施工方式相對(duì)簡(jiǎn)單,混凝土圓柱樁得到了廣泛應(yīng)用,包括單樁、群樁等。但施工中發(fā)現(xiàn)在某些水文條件下,有些樁出現(xiàn)明顯的晃動(dòng),如黃河上某橋梁施工時(shí)就發(fā)現(xiàn)此種情況。對(duì)此,筆者應(yīng)用流體渦旋振動(dòng)理論進(jìn)行了探索,對(duì)流體渦旋狀況及樁的固有頻率進(jìn)行了分析比較,證實(shí)了在一定的水流狀態(tài)下不可忽略流體渦旋對(duì)樁的作用。
一個(gè)處于流水中的圓柱體,當(dāng)流體微團(tuán)到圓柱體的前緣時(shí)受到阻滯,按照伯努里定理,其動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?,前緣壓力增長(zhǎng)到總壓頭,在前緣附近形成高壓區(qū),促使緊貼圓柱表面的附面層向后側(cè)延伸,當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到一定數(shù)值(Re=150),圓柱體的背后形成交替錯(cuò)開的2排旋渦,當(dāng)Re大于300時(shí),在圓柱體下游距圓柱體超過50倍直徑的地方,旋渦全部變成湍流。由于湍流在下游結(jié)構(gòu)的側(cè)面流動(dòng),從而使圓柱體受到一個(gè)正交于水流方向的正弦變化力,引起激振。此旋渦的頻率fs主要取決于水的流速和圓柱體直徑D。
流速,當(dāng)雷諾數(shù)在3×105~3.5×106范圍內(nèi)時(shí),其數(shù)值為0.2~0.24,故有
當(dāng)激振頻率fs接近結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí),結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生共振。
在港灣碼頭工程中,大量使用圓柱形混凝土樁,即將一些圓柱形混凝土樁打入河床中并讓其自由站立,形成一個(gè)固支懸臂梁,見圖1。
圖1 圓柱混凝土樁示意圖
設(shè)梁懸臂部分的質(zhì)量為m,直徑為D,長(zhǎng)度為l,距離根部x處的撓度y取為[2]
式中:yl為樁項(xiàng)的撓度。
則有
于是
又有
從而得到圓頻率為
式中:E為材料的彈性模量;I為截面的慣性矩。
設(shè)混凝土樁的直徑為1m,樁伸出河床20m,混凝土的密度為2 400kg/m3,彈性模量E=14×106kN/m2,將它們代入圓頻率表達(dá)式,得到
ω=5.53rad/s,即f=0.88Hz。當(dāng)fs=0.88Hz時(shí),則由斯特羅哈數(shù)知
即當(dāng)水的流速v為4m/s時(shí),樁將產(chǎn)生共振。由于水流的持續(xù)作用引起樁的激振。
為了防止激振造成的危害,可采取一定的技術(shù)措施[3]:
(1)錯(cuò)開旋渦頻率ωs與結(jié)構(gòu)的固有頻率ωn。在設(shè)計(jì)階段,不僅可改變結(jié)構(gòu)的固有頻率ωn,也可改變?chǔ)豷。對(duì)于已建成的結(jié)構(gòu),其固有頻率不能改變,結(jié)構(gòu)的特征尺寸和流速也不易改變,對(duì)此只能采取改變其結(jié)構(gòu)外形,提高光潔度等措施,改變斯特羅哈數(shù)。
(2)采用旋渦干擾裝置。(3)增加結(jié)構(gòu)的阻尼。
本文根據(jù)港灣工程中廣泛使用的圓柱體混凝土樁在水流中產(chǎn)生的自激振動(dòng)現(xiàn)象,通過分析驗(yàn)算,探討了水流誘發(fā)渦致振動(dòng)的條件。分析表明,在一定的水流條件下,不能忽略流體渦旋對(duì)樁的作用,這對(duì)克服樁自激振動(dòng)的實(shí)際問題非常重要。
[1]張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)壓和風(fēng)振計(jì)算[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1985.
[2][日]井町勇.機(jī)械振動(dòng)學(xué)[M].尹傳家,黃懷德,譯.北京:科學(xué)出版社,1979.
[3]丁文鏡.工程中的自激振動(dòng)[M].長(zhǎng)春:吉林教育出版社,1988.