徐萬(wàn)海, 艾化楠, 賈 昆, 馬燁璇

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

海底管道是海洋油氣開(kāi)采輸送的關(guān)鍵裝備。由于海底復(fù)雜的地理?xiàng)l件，海流的沖蝕作用和管道自身的變形等因素影響，管道往往會(huì)產(chǎn)生懸跨現(xiàn)象。懸跨段在水流的作用下會(huì)出現(xiàn)交替脫落的旋渦，引發(fā)管道渦激振動(dòng)，誘發(fā)管道結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，甚至破壞。實(shí)際工程中的懸跨段往往不是孤立出現(xiàn)的，多段懸跨時(shí)有發(fā)生。相鄰懸跨段間的相互作用機(jī)理是海底管道渦激振動(dòng)研究的重要內(nèi)容。

多跨懸跨管道的研究起步較晚。Soni等[1]闡述了橫流向渦激振動(dòng)的能量在相鄰懸跨段之間的傳遞效應(yīng)，以及兩跨間管土接觸長(zhǎng)度對(duì)懸跨管道渦激振動(dòng)的影響。Koushan[2]提出預(yù)測(cè)懸跨段的渦激振動(dòng)必須考慮跨肩處的復(fù)雜邊界、多跨間的相互作用等因素。Sollund等[3-4]考慮軸向力影響及管線靜態(tài)變形初始曲率，確立了相鄰管跨對(duì)懸跨管道基本頻率及模態(tài)應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：在評(píng)估波浪和海流引發(fā)管道結(jié)構(gòu)疲勞損傷時(shí)不能忽略相鄰跨的影響。Li等[5]采用鐵木辛柯梁理論，考慮流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，對(duì)懸跨管道模型進(jìn)行了修正。Slinsby[6]應(yīng)用尾流振子模型，選取了多種管土作用模型，分析了兩跨管道在不同流速下的渦激振動(dòng)響應(yīng)特征，對(duì)比了多跨與單跨管道的最大響應(yīng)幅值差異，證實(shí)了懸跨段數(shù)量是影響管道振動(dòng)響應(yīng)的重要因素。EI-Sayed等[7]基于變分迭代法，研究了多跨管道的動(dòng)力特性和穩(wěn)定性。結(jié)果表明：跨中支撐方式和剛度對(duì)管道固有頻率有著顯著影響。Li等[8]研究了非均勻多跨輸油管道的結(jié)構(gòu)模態(tài)特性，考慮了土體基礎(chǔ)、附加質(zhì)量和管道內(nèi)流等因素。高喜峰等[9]基于兩跨管道模型，通過(guò)尾流振子模型描述渦激振動(dòng)流-固耦合問(wèn)題，采用模態(tài)分析法揭示了邊界土體剛度對(duì)振動(dòng)的影響規(guī)律。

海床土體為海底懸跨管道提供支撐，對(duì)管道具有很強(qiáng)的約束作用。海床土體的特性決定了海底懸跨管道的固有頻率，對(duì)管道渦激振動(dòng)具有重要影響[10-12]?？紤]到懸跨管道渦激振動(dòng)的復(fù)雜性，順流向振動(dòng)和橫流向振動(dòng)耦合作用以及管土耦合作用均難以直接理論分析和數(shù)值模擬。因此，模型試驗(yàn)成為探究復(fù)雜條件下懸跨管道渦激振動(dòng)特性的有效方法。Yang等[13]研究了管道間隙比對(duì)管道振動(dòng)和局部沖刷的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)與局部沖刷相互作用，最大振動(dòng)幅值隨初始間隙比增大而增大。李小超[14]利用方形土箱試驗(yàn)?zāi)M土體邊界，觀測(cè)了土體端部支撐下的懸跨管道渦激振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果表明海床間隙對(duì)渦激振動(dòng)的發(fā)生具有重要影響。譚鵬濤等[15]利用了波浪-水流-地震聯(lián)合模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了波浪、水流和諧波地震荷載單獨(dú)作用或聯(lián)合作用時(shí)海底懸跨管道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。

目前，對(duì)于海底懸跨管道的試驗(yàn)研究遠(yuǎn)無(wú)法滿足工程實(shí)際需求，尤其缺少多跨工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最核心的原因是缺乏必要的試驗(yàn)系統(tǒng)。針對(duì)這一問(wèn)題，本文創(chuàng)造性地提出了一種考慮流-固-土多場(chǎng)耦合的多跨管道渦激振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)懸跨數(shù)量和懸跨段長(zhǎng)度的靈活控制，具有較高操作性。在此基礎(chǔ)上，利用該試驗(yàn)裝置開(kāi)展不同工況下多跨管道試驗(yàn)，研究不同流速下橫流向和順流向的渦激振動(dòng)響應(yīng)情況，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了處理與分析。

1 試驗(yàn)裝置

在考慮管土耦合的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了跨肩和跨中土箱，通過(guò)土箱將管道分為多個(gè)管段，以此模擬海底管道多個(gè)懸跨段。整套試驗(yàn)裝置由六個(gè)部分組成：拖曳水池、管道模型、跨肩處管土作用系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、軸向力施加系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.1 拖拽水池系統(tǒng)

如圖1所示的拖曳水池隸屬于天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)135 m、寬7 m、深3 m。試驗(yàn)中拖車(chē)速度范圍為0.05～0.55 m/s，速度間隔為0.05 m/s。多跨管道渦激振動(dòng)模型試驗(yàn)的雷諾數(shù)(Re)最大可達(dá)8 800，整體能夠模擬實(shí)際海底流場(chǎng)條件。

圖1 試驗(yàn)拖曳水池Fig.1 Towing tank in the experimental tests

1.2 管道模型

為了更好地觀測(cè)管道在流固耦合作用下的渦激振動(dòng)響應(yīng)，需選取具有一定柔性的管道模型，具體模型參數(shù)如表1所示。

表1 管道模型參數(shù)(跨長(zhǎng)比L1/L2=1∶2)Tab.1 Pipeline model parameters(L1/L2=1∶2)

整個(gè)管道模型分為內(nèi)、外兩層，由多種不同材料組合而成。模型的內(nèi)芯為銅管，外部套有硅膠管、應(yīng)變片等裝置?，F(xiàn)有研究表明，自由表面的存在會(huì)影響管道的旋渦脫落。當(dāng)結(jié)構(gòu)距離自由表面較近時(shí)，自由表面效應(yīng)會(huì)對(duì)渦激振動(dòng)產(chǎn)生顯著影響。為了消除自由表面影響，管道模型與水面之間需要保持一定距離。參考相關(guān)試驗(yàn)以及計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值模擬結(jié)果，整套管道模型置于水面下大于20倍管徑位置[16]，即水面下0.5 m處。沿內(nèi)芯薄壁銅管的軸向,依次布置G1～G7等7個(gè)均勻分布的測(cè)點(diǎn)位置，如圖2所示。

圖2 各測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of each measuring point

每個(gè)測(cè)點(diǎn)處粘貼兩組應(yīng)變片，分別測(cè)量管道橫流向和順流向的彎曲應(yīng)變，并將測(cè)量導(dǎo)線沿薄壁銅管軸向引出。內(nèi)部薄壁銅管保證模型整體具有較大剛度，在能承受較高流速的同時(shí)也能激發(fā)高階模態(tài)渦激振動(dòng)。硅膠管不僅可起到擴(kuò)大管徑的作用，也能夠保證與水接觸的管道表面相對(duì)光滑平整，并對(duì)內(nèi)部測(cè)量應(yīng)變片起到防水絕緣作用，詳細(xì)管道剖面如圖3所示。

圖3 管道模型剖面圖Fig.3 Profile of pipeline model

1.3 跨肩和跨中土箱

實(shí)際的海底多跨管道的兩端跨肩，以及相鄰兩跨間的跨中支撐多為海底土體，試驗(yàn)系統(tǒng)需可同時(shí)試驗(yàn)?zāi)M管道跨肩和跨中處的管土作用。針對(duì)這一問(wèn)題，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一套土箱裝置，通過(guò)對(duì)土箱位置的改變實(shí)現(xiàn)不同的懸跨工況。

土箱內(nèi)土樣可根據(jù)實(shí)際海域的土體參數(shù)情況配制。為了更加接近實(shí)際海底懸跨管道工作環(huán)境，后續(xù)開(kāi)展的試驗(yàn)土樣以渤海海域?yàn)橹饕獏⒄?，土質(zhì)為砂土，并對(duì)渤海海域?qū)嶋H采集的土樣參數(shù)進(jìn)行了大量前期測(cè)定，具體參數(shù)如表2所示。

表2 土體參數(shù)Tab.2 Parameter of soil

試驗(yàn)系統(tǒng)中懸跨管道的長(zhǎng)徑比L/D(L為管道懸跨長(zhǎng)度，D為管道直徑)最大可達(dá)到200，可滿足不同管道跨長(zhǎng)的試驗(yàn)條件。對(duì)于不同懸跨段數(shù)量的試驗(yàn)，可通過(guò)調(diào)整管道模型中部跨肩處土箱數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。整套管土作用模擬裝置可靈活組合，滿足各種土體情況、不同跨段設(shè)置的試驗(yàn)需求。

為了減小土箱裝置對(duì)流體作用的影響，土箱外型設(shè)計(jì)成流線型，以保證外部來(lái)流平穩(wěn)。按照拖曳水池的整體結(jié)構(gòu)和安裝流程，設(shè)計(jì)兩種土箱：端部流線型土箱和跨中流線型土箱。

1.3.1 端部流線型土箱

端部流線型土箱布置如圖4所示。土箱包括一個(gè)土體艙和兩個(gè)浮艙。深0.40 m的土體艙位于土箱中部，用于放置土樣模擬土體邊界，長(zhǎng)、寬方向最大尺度均為0.50 m。試驗(yàn)過(guò)程中土樣深度取決于管道模型位置及管道端部的埋深。土體艙的大小滿足管道模型前、后的土體寬度和下方的土體深度均大于10倍管徑。浮艙位于土體艙兩側(cè)，為試驗(yàn)裝置的安裝提供浮力。連接架采用高強(qiáng)度方形鋼管焊接而成，布置于土箱外板與土體艙之間，為土箱提供支撐，同時(shí)可防止連接架對(duì)水流產(chǎn)生擾動(dòng)。試驗(yàn)中采用的多跨模型是一根整體的管道模型。在跨肩部位，管道穿過(guò)土箱圓孔與土體接觸形成土體邊界。土箱內(nèi)部管道埋置于土體中，形成管土耦合段，與外部的懸跨段共同構(gòu)成多跨模型。

圖4 跨肩土箱示意圖Fig.4 Diagram of the soil box across the shoulder

1.3.2 跨中流線型土箱

跨中流線型土箱的內(nèi)部構(gòu)造與端部流線型土箱類(lèi)似，主要區(qū)別是跨中流線型土箱的左、右兩側(cè)均為流線型，其單側(cè)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 跨中土箱示意圖Fig.5 Diagram of the soil box across the midspan

利用端部土箱模擬管道跨肩作用，在不安裝跨中土箱的情況下，該試驗(yàn)系統(tǒng)可用于開(kāi)展不同工況下的單跨管道渦激振動(dòng)試驗(yàn)。在加入跨中土箱后，該試驗(yàn)系統(tǒng)即可成為多跨管道的渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置?？赏ㄟ^(guò)改變跨中土箱位置，改變土箱兩邊管段長(zhǎng)度，從而達(dá)到不同的跨長(zhǎng)比條件，改變跨中土箱數(shù)量可實(shí)現(xiàn)不同懸跨段數(shù)量的振動(dòng)試驗(yàn)。將管道埋置于土箱之中，通過(guò)改變埋置深度可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同管道埋置深度、埋置方式的試驗(yàn)?zāi)M。

1.4 整體支撐框架

整套試驗(yàn)裝置選取高強(qiáng)度鋼管構(gòu)建橫向試驗(yàn)支持架，如圖6所示。支持架頂部設(shè)有槽鋼，通過(guò)螺栓連接槽鋼，使整個(gè)試驗(yàn)裝置固定于拖車(chē)底部。

圖6 支撐裝置Fig.6 Diagram of the support device

海底管道模型一端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)固定于端部支撐板，另一端連接鋼絲繩穿過(guò)支撐板。支撐板和土箱連接架的豎向高度根據(jù)拖車(chē)距水面距離和管道模型直徑確定，管道模型與土箱和支撐板交匯需在同一水平面。

1.5 軸向力施加系統(tǒng)

軸向力施加系統(tǒng)包括鋼絲繩、彈簧、張緊器和拉力傳感器，通過(guò)調(diào)整張緊器獲得試驗(yàn)所需軸向力，同時(shí)拉力傳感器與應(yīng)變采集儀相連，實(shí)時(shí)記錄管道模型軸向力變化。軸向力施加系統(tǒng)可防止海底管道模型在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)較大變形導(dǎo)致應(yīng)變片損壞。為確保軸向力僅對(duì)管道軸向產(chǎn)生作用，軸向力施加系統(tǒng)的鋼絲繩軸線與管道模型軸線須在與來(lái)流方向垂直的同一平面內(nèi)。

1.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：電阻應(yīng)變片、應(yīng)變采集儀、計(jì)算機(jī)、攝像頭、拉力傳感器等。

試驗(yàn)中采用體積小、重量輕的電阻應(yīng)變片測(cè)量管道模型的動(dòng)力響應(yīng)。由于多跨海底管道渦激振動(dòng)不會(huì)激發(fā)高于4階的響應(yīng)模態(tài)，所以在沿管道軸向上布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)分別粘貼兩組180°對(duì)稱的應(yīng)變片。應(yīng)變片通過(guò)測(cè)量導(dǎo)線連接采集儀，采樣頻率為100 Hz。管道模型的端部軸向力通過(guò)拉力傳感器測(cè)量。將攝像頭安裝在拖車(chē)底部，通過(guò)攝像頭記錄管道的振動(dòng)狀態(tài)。

整體而言，可通過(guò)設(shè)置移動(dòng)土箱裝置，更改懸跨數(shù)量以及跨長(zhǎng)，使得該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠靈活合理地進(jìn)行多跨管道渦激振動(dòng)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

整套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)跨長(zhǎng)比、來(lái)流速度、管土作用和預(yù)張力等因素對(duì)多跨管道渦激振動(dòng)影響的測(cè)試和試驗(yàn)研究。在管道模型順流向和橫流向上分別給定一個(gè)初始位移，讓其自由振動(dòng)，測(cè)定管道模型這兩個(gè)方向上的自振頻率和結(jié)構(gòu)阻尼。選取典型工況條件進(jìn)行了兩跨管道渦激振動(dòng)試驗(yàn)。相應(yīng)工況如下：

(1) 跨長(zhǎng)比

跨長(zhǎng)比是不同懸跨段長(zhǎng)度的比值。選取跨長(zhǎng)比1∶2的工況進(jìn)行試驗(yàn)分析，此時(shí)G1～G2測(cè)點(diǎn)位于短跨段，G4～G7測(cè)點(diǎn)位于長(zhǎng)跨段，G3測(cè)點(diǎn)位于跨中土箱內(nèi)。該工況設(shè)計(jì)能較好地滿足試驗(yàn)要求，探索多跨管道的多模態(tài)響應(yīng)以及模態(tài)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。

(2) 來(lái)流速度

通過(guò)調(diào)整拖車(chē)速度，改變水池來(lái)流速度v。在管道結(jié)構(gòu)固有頻率fn和直徑D不變的條件下，通過(guò)改變來(lái)流速度可以實(shí)現(xiàn)約化速度的改變。選取來(lái)流速度范圍為0.05～0.55 m/s，速度間隔為0.05 m/s。

(3) 管土作用

改變端部和跨間的管土接觸寬度和管道嵌入深度，測(cè)量管道模型順流向和橫流向的應(yīng)變。選取埋深為5D，對(duì)完全埋置的情況進(jìn)行試驗(yàn)分析。通過(guò)觀測(cè)渦激振動(dòng)響應(yīng)，可深入研究多跨管道的多模態(tài)響應(yīng)以及模態(tài)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，觀測(cè)相鄰管跨之間能量傳遞現(xiàn)象。

(4) 軸向力

軸向力會(huì)對(duì)管道固有特性產(chǎn)生顯著影響。試驗(yàn)前，分別采用理論分析和ANSYS有限元方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行計(jì)算，并預(yù)估結(jié)構(gòu)振動(dòng)狀態(tài)，在張力為150 N時(shí)，結(jié)構(gòu)在選定流速下能夠達(dá)到鎖頻狀態(tài)，并且可激發(fā)二階模態(tài)，符合試驗(yàn)需求。因此，在管道模型端部施加150 N軸向力。

試驗(yàn)通過(guò)觀測(cè)多跨管道渦激振動(dòng)響應(yīng)、相鄰管跨之間的相互作用形式等，從而揭示多跨懸空管道的流-固-土多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)特性，探索多跨管道多模態(tài)響應(yīng)以及模態(tài)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。

3 結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程中，在較低流速下，管道懸跨部分振動(dòng)并不明顯。當(dāng)流速達(dá)到0.2 m/s后，振動(dòng)幅度顯著增加。該現(xiàn)象一定程度表明結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到鎖頻狀態(tài)，渦激振動(dòng)特征明顯，后續(xù)分析重點(diǎn)關(guān)注鎖頻狀態(tài)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

試驗(yàn)中應(yīng)變數(shù)據(jù)采樣頻率是100 Hz。試驗(yàn)中拖車(chē)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)頻率不到1.0 Hz，遠(yuǎn)低于懸跨管道渦激振動(dòng)的響應(yīng)頻率。管道渦激振動(dòng)的最高響應(yīng)頻率(包括倍頻)不超過(guò)40.0 Hz。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理之前，先采用帶通濾波的方法消除低于1.0 Hz的低頻拖車(chē)運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào)和高于40.0 Hz的高頻噪音信號(hào)。

圖7給出了來(lái)流速度分別為0.1 m/s、0.3 m/s和0.5 m/s時(shí)各測(cè)點(diǎn)處橫流向應(yīng)變時(shí)程曲線圖。隨著來(lái)流速度的增大，各跨段的應(yīng)變幅值都有明顯增大。在較低流速時(shí)，長(zhǎng)跨段和短跨段的應(yīng)變幅值大小較為接近，并無(wú)明顯區(qū)別，且整體響應(yīng)情況不劇烈，應(yīng)變值也較小。隨著流速的增大，長(zhǎng)跨段應(yīng)變值對(duì)流速變化更為敏感，增長(zhǎng)幅度更明顯。當(dāng)流速較大時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程曲線較為穩(wěn)定，具有明顯的簡(jiǎn)諧振動(dòng)特性。響應(yīng)較為明顯時(shí)，G4測(cè)點(diǎn)與長(zhǎng)跨段其他測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值有所差別，可能原因是G4測(cè)點(diǎn)距離跨中土箱較近，受到鄰跨段影響以及跨中土體影響，導(dǎo)致應(yīng)變響應(yīng)有所變化。

(a) v=0.1 m/s

(b) v=0.3 m/s

(c) v=0.5 m/s圖7 不同流速下橫流向應(yīng)變時(shí)程圖Fig.7 Cross-flow strain history diagram at different flow velocity

圖8給出了流速為0.3 m/s時(shí)各測(cè)點(diǎn)處橫流向和順流向應(yīng)變時(shí)程曲線。對(duì)于短跨段，橫流向和順流向的應(yīng)變響應(yīng)幅值較小，接近零。而長(zhǎng)跨段則出現(xiàn)了明顯的周期性變化應(yīng)變幅值，與短跨段響應(yīng)情況有較大差異?？赡茉蚴嵌炭缍蔚拈L(zhǎng)度較小，其固有頻率相比長(zhǎng)跨段更高，兩個(gè)跨段在相同流速下的振動(dòng)狀態(tài)不同，導(dǎo)致響應(yīng)程度相差較大。管土作用處的測(cè)點(diǎn)G3附近應(yīng)變幅值受土體影響，與其前、后G2和G4測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變幅值有較大區(qū)別。受到跨中土體影響，G4測(cè)點(diǎn)與長(zhǎng)跨段其他測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值有所差別，而且橫流向應(yīng)變受土體作用影響比順流向更明顯。同時(shí)橫流向最大應(yīng)變幅值更大，約為順流向的2倍，說(shuō)明此時(shí)橫流向振動(dòng)比順流向更為劇烈，響應(yīng)更加劇烈。應(yīng)變幅值變化規(guī)律說(shuō)明土體作用會(huì)對(duì)管道振動(dòng)特征產(chǎn)生顯著影響，并且多跨管道不同跨段響應(yīng)情況會(huì)有區(qū)別，管跨相互之間存在著影響。

(a) 橫流向

(b) 順流向圖8 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變時(shí)程圖Fig.8 Strain history diagram of each measuring point

圖9給出了流速為0.3 m/s時(shí)各測(cè)點(diǎn)處橫流向和順流向應(yīng)變響應(yīng)的頻譜圖。

(a) 橫流向

(b) 順流向圖9 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變頻譜圖Fig.9 Strain spectrum diagram of each measuring point

由圖9可知，不同懸跨段的頻率成分和譜峰頻率具有一定差異，長(zhǎng)跨段管道橫流向的主控頻率為3.56 Hz，G1、G2、G3測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)了一些7.56 Hz頻率成分，且短跨段處的明顯小于長(zhǎng)跨段。順流向和橫流向的頻率成分和譜峰頻率較為接近，主控頻率均在3.56 Hz附近。此時(shí)，順流向振動(dòng)與橫流向振動(dòng)相互耦合，對(duì)管道的整體動(dòng)力學(xué)特性影響不可忽略。

4 結(jié) 論

本文創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了跨肩和跨中流線型土箱，構(gòu)建了一套考慮流-固-土多場(chǎng)耦合的多跨管道渦激振動(dòng)試驗(yàn)裝置，可用來(lái)分析多跨管道跨間作用對(duì)管道渦激振動(dòng)的影響。同時(shí)，利用該試驗(yàn)裝置開(kāi)展了一定埋深下的兩跨管道渦激振動(dòng)試驗(yàn)，研究了管道橫流向和順流向應(yīng)變響應(yīng)特性。結(jié)果表明：

(1) 設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置能夠合理地模擬懸跨管道邊界的土體作用。該裝置可用來(lái)開(kāi)展不同流速、軸向力、跨長(zhǎng)比和土體條件下的多跨管道渦激振動(dòng)試驗(yàn)，其結(jié)果可為多跨管道渦激振動(dòng)的跨間影響等研究提供新的試驗(yàn)設(shè)計(jì)示例，為海底多跨管道試驗(yàn)提供新思路。試驗(yàn)結(jié)果可為后續(xù)理論研究和數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)參考。

(2) 考慮多跨管道的跨間作用時(shí)，不同跨段的應(yīng)變幅值及響應(yīng)頻率在不同流速下有較大差異，其中長(zhǎng)跨段更容易激發(fā)渦激振動(dòng)。橫流向最大應(yīng)變幅值約為順流向的2倍。靠近跨中土體段部分，由于受到相鄰跨段的影響，結(jié)構(gòu)振動(dòng)劇烈程度有所增加；在遠(yuǎn)離跨中的位置，跨間相互影響程度較小，結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況未發(fā)生明顯變化。

(3) 靠近跨中土體段的結(jié)構(gòu)位移受到土體約束影響，不同跨段間的相互影響會(huì)通過(guò)跨中管土耦合段進(jìn)行傳遞，跨中段管土作用會(huì)影響多跨管道的振動(dòng)特征。