摘要:水-结构的耦合振动是一个比较复杂的问题,在设计中,只有考虑水体对结构基频及阻尼比等振动特性的影响,才能使结构设计更为合理、可靠。以往研究多分析水体的附加质量效应对桩柱基频的影响,对水深、桩径、上部结构等因素的影响尚缺乏进一步的研究,对水体的阻尼比增大效应也缺乏定量分析。鉴于工程的需要,利用有限元分析软件ADINA 建立水体-桩基结构相互作用的三维有限元数值模型,对流固耦合作用下结构的基频和阻尼比进行计算,分析多种因素对水中结构振动特性的影响,并给出水体产生的阻尼比推荐值。结果表明,水体会引起结构基频降低及结构阻尼比增大,流固耦合作用对振动特性的影响不容忽视。
近年来港口工程呈现着向深水发展的趋势,从国内外已有工程实践看,典型的离岸深水结构是柔度较大的全直桩承台式结构[1-2],其自振周期较长,结构的动力响应、波浪与结构动力相互作用等问题突出。离岸深水结构相对于传统近岸结构其水深较大,水体将影响结构的动力特性。对于此类水下结构的设计,不仅要考虑结构物在空气中的振动问题,而且要考虑结构物与流体耦合时的振动问题[3]。只有合理考虑水体对结构基频及阻尼比等振动特性的影响,才能保证结构设计合理、使用可靠。因此研究水体对结构振动特性的影响,具有实际的工程意义。
由于工程实践需要,自20 世纪30 年代起,国内外不少学者曾对水中柱体的振动问题做过理论和试验研究,如Yu 和Ursell、Kim、张悉德、丁思远等的工作[3-7]。这些研究大多基于势流理论,假定水是理想的不可压缩的无粘性流体,分析水体的附加质量效应对结构基频的影响;或仅定性分析水体粘性对水中结构振动阻尼比的增大效应。结构在水中振动属于典型的流固耦合问题,以往研究大多忽略了二者的相互作用效应,对水深、桩径、抗弯刚度、上部结构等相关因素的影响尚缺乏进一步的研究,对水体引起的结构阻尼比增大效应尚缺乏定量分析。因此考虑水体-结构流固耦合作用,分析水体对结构振动特性的影响,是有待研究的课题。本文利用大型有限元软件ADINA,以一顶端伸出水面的桩柱式结构为研究对象,建立水和桩基结构的流固耦合数值模型。通过对水中桩基结构的振动特性进行数值模拟分析,探讨了水体对结构自振特性、阻尼比的影响,并给出港口离岸深水结构中水体产生的阻尼比推荐值,为工程设计提供参考和依据。
```````