王丕光 黃義銘 趙密

摘要： 針對(duì)柔性橢圓柱體在水中的振動(dòng)問題，提出一種代替水-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的附加質(zhì)量模型。基于橢圓柱體動(dòng)水壓力的計(jì)算公式建立了水中橢圓柱體的自由振動(dòng)方程，進(jìn)一步推導(dǎo)了水中橢圓柱體自振頻率和振型的解析公式;基于振型疊加法推導(dǎo)了水中橢圓柱體地震動(dòng)力反應(yīng)的計(jì)算公式;通過附加質(zhì)量代替水-結(jié)構(gòu)相互作用，提出了水中橢圓柱體自振頻率的計(jì)算公式;通過曲線擬合給出了附加質(zhì)量的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，該簡(jiǎn)化公式數(shù)學(xué)表達(dá)簡(jiǎn)單，適用于工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 動(dòng)水壓力; 橢圓柱體; 地震反應(yīng); 振型疊加法; 附加質(zhì)量

中圖分類號(hào)： TU311.3; U443.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)： 1004-4523（2019）04-0619-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2019.04.008

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，中國已經(jīng)建成或正致力于建造一大批近海結(jié)構(gòu)物[1-3]。近海結(jié)構(gòu)一般都處于深水環(huán)境中，在動(dòng)力分析時(shí)需要考慮水體和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用，該動(dòng)力相互作用不僅會(huì)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加動(dòng)水壓力作用。研究表明地震作用下結(jié)構(gòu)與水體的動(dòng)力相互作用會(huì)對(duì)水中結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)產(chǎn)生較大影響[4-5]。

實(shí)際工程中，存在各種截面形式的柱體結(jié)構(gòu)，如圓形、橢圓形和矩形等。國外學(xué)者針對(duì)水-圓柱結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用問題已經(jīng)進(jìn)行了一系列的研究。Liaw和Chopra[6]于1974年基于輻射波浪理論推導(dǎo)了圓柱結(jié)構(gòu)的動(dòng)水壓力公式，研究結(jié)果表明，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可以忽略水體壓縮性的影響;表面波僅在低頻時(shí)對(duì)動(dòng)水壓力的影響比較明顯。忽略水體壓縮性和表面波時(shí)該動(dòng)水壓力可視為部分水體質(zhì)量與結(jié)構(gòu)加速度的乘積，這部分水體稱為“附加質(zhì)量”。Han和Xu[7]基于梁?jiǎn)卧碚?，提出了?jì)算水中圓柱結(jié)構(gòu)自振頻率的簡(jiǎn)化公式。Goyal和Chopra[8]提出了取水塔結(jié)構(gòu)動(dòng)水壓力的附加質(zhì)量簡(jiǎn)化計(jì)算方法。另外，Williams[9]和Tanaka等[10]分別采用邊界積分方法和解析法研究了水平地震作用下水中圓柱結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。

中國學(xué)者也對(duì)深水橋墩的地震動(dòng)水壓力進(jìn)行了研究。賴偉等[11]提出了一種圓形橋墩上地震動(dòng)水壓力的半解析半數(shù)值方法;黃信和李忠獻(xiàn)[12-13]討論了自由表面波、水體壓縮性和水底吸收邊界對(duì)圓形橋墩地震動(dòng)水壓力的影響;杜修力等[14-15]提出了可壓縮水體條件下圓柱結(jié)構(gòu)地震動(dòng)水壓力的時(shí)域算法和時(shí)域簡(jiǎn)化公式;李喬等[16]和江輝等[17]提出了圓形橋墩動(dòng)水壓力的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

上述情況表明，目前對(duì)于地震作用下水與圓柱結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用問題已經(jīng)取得了可供實(shí)際應(yīng)用的研究成果，但還鮮見對(duì)水與橢圓柱體結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的研究。本文將利用分布參數(shù)體系，研究齊水面橢圓柱體結(jié)構(gòu)體系的自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)，討論水-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)柱體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)力反應(yīng)的影響。

1 橢圓柱體的動(dòng)水壓力計(jì)算公式

橢圓柱體結(jié)構(gòu)與水體相互作用的模型如圖1所示，a和b分別表示橢圓半長(zhǎng)軸和半短軸，h為水深。直角坐標(biāo)系下，z軸沿柱體軸線向上，坐標(biāo)原點(diǎn)位于柱體底部;假定地基為剛性，地面加速度為g=Uge-iωt，ω為荷載頻率。水體假定為不可壓縮的小擾動(dòng)流體，并忽略表面重力波的影響。

2.2 結(jié)果分析

通過自振頻率降低率討論水-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)柔性橢圓柱體結(jié)構(gòu)自振頻率的影響，自振頻率降低率定義為結(jié)構(gòu)無水頻率和有水頻率的差值與無水頻率的比值。本文算例中，取結(jié)構(gòu)的密度ρs=2450 kg/m3、彈性模量E=30000 MPa、阻尼比為0.05、水深為20 m。

圖2為橢圓長(zhǎng)短軸比不同情況下結(jié)構(gòu)的一階頻率降低率隨寬深比的變化。沿長(zhǎng)軸時(shí)寬深比為2b/h，沿短軸時(shí)寬深比為2a/h。由圖2可以看出，水-結(jié)構(gòu)相互作用降低了結(jié)構(gòu)的自振頻率;隨著寬深比的增大，水體對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率的影響逐漸減小;沿長(zhǎng)軸方向振動(dòng)時(shí)，隨著長(zhǎng)短軸比的增大，水體對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率的影響逐漸減小;沿短軸方向振動(dòng)時(shí)，隨著長(zhǎng)短軸比的增大，水體對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率的影響逐漸增大;長(zhǎng)短軸比一定時(shí)，水-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)橢圓柱體沿短軸方向結(jié)構(gòu)自振頻率的影響更大。水-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)長(zhǎng)、短軸方向動(dòng)力特性影響的差異性主要是由于沿長(zhǎng)軸和短軸振動(dòng)時(shí)截面剛度的不同引起的。

圖3和4分別為橢圓柱體沿長(zhǎng)軸和短軸方向振動(dòng)情況下結(jié)構(gòu)的前3階振型，圖中長(zhǎng)短軸比取3。由圖中可以看出，水體對(duì)結(jié)構(gòu)一階振型的影響可忽略，對(duì)高階振型的影響較大;水體對(duì)沿短軸方向振動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)高階振型影響明顯大于對(duì)沿長(zhǎng)軸方向振動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)高階振型影響。

3 橢圓柱體的地震動(dòng)力反應(yīng)

采用振型疊加法來求解地震作用下橢圓柱體的動(dòng)力反應(yīng)。

3.1 無水情況

橢圓柱體在水中振動(dòng)的自振頻率，可通過式（15）計(jì)算得到，但是該公式需要通過程序來實(shí)現(xiàn)，很難應(yīng)用于工程實(shí)際。為了解決這一難題，本文基于附加質(zhì)量的概念，給出了一個(gè)水中橢圓柱體結(jié)構(gòu)自振頻率的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

4.1 沿長(zhǎng)軸方向

5 結(jié) 論

本文推導(dǎo)了橢圓柱體結(jié)構(gòu)在水中自由振動(dòng)時(shí)自振頻率和振型的解析公式，并基于振型疊加法建立了橢圓柱體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計(jì)算公式。由于自振頻率解析公式計(jì)算過程復(fù)雜，不便于工程應(yīng)用，本文進(jìn)一步基于水體附加質(zhì)量的概念提出了水中橢圓柱體結(jié)構(gòu)自振頻率的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。

分析結(jié)果表明水-結(jié)構(gòu)相互作用降低了結(jié)構(gòu)的自振頻率，改變了結(jié)構(gòu)的高階振型，增大了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。隨著寬深比的增大，水體對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率的影響逐漸減小;隨著長(zhǎng)短軸比的增大，水體對(duì)沿長(zhǎng)軸方向結(jié)構(gòu)自振頻率的影響逐漸減小、對(duì)沿短軸方向結(jié)構(gòu)自振頻率的影響逐漸增大;長(zhǎng)短軸比一定時(shí)，水體對(duì)橢圓柱體沿短軸方向結(jié)構(gòu)自振頻率和高階振型的影響更大。

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Abstract： A model of added mass representation for a flexible elliptical cylinder vibrating in water is presented to simulate the fluid-structure dynamic interaction. Based on the formula of the hydrodynamic pressure on elliptical cylinder， the free vibration equation for an elliptical cylinder in water is given. Further， the analytical solutions of the natural frequencies and mode shapes for the elliptical cylinder vibrating in water are derived. The expression for calculating the seismic response of the cylinder surrounded by water is obtained by the mode superposition method. Using the added mass representation， the formula for calculating the fundamental frequency of the elliptical cylinder in water is proposed. A simple formula for evaluating the natural frequency is proposed by curve fitting method. The mathematical expression of the formula is very simple and it is suitable for engineering application.

Key words： hydrodynamic pressure; elliptical cylinder; earthquake response; mode superposition method; added mass

作者簡(jiǎn)介： 王丕光（1985-），男，助理研究員。電話：15210945945; E-mail： wangpiguang1985@126.comZ ··y^