港灣碼頭圓柱樁的渦致振動及防止措施

孫峙宇

（中國鐵建港航局集團有限公司第一工程分公司 珠海 519000）

在水運交通工程中，由于施工方式相對簡單，混凝土圓柱樁得到了廣泛應用，包括單樁、群樁等。但施工中發現在某些水文條件下，有些樁出現明顯的晃動，如黃河上某橋梁施工時就發現此種情況。對此，筆者應用流體渦旋振動理論進行了探索，對流體渦旋狀況及樁的固有頻率進行了分析比較，證實了在一定的水流狀態下不可忽略流體渦旋對樁的作用。

1 水流誘發的結構自振

一個處于流水中的圓柱體，當流體微團到圓柱體的前緣時受到阻滯，按照伯努里定理，其動能轉變為壓力能，前緣壓力增長到總壓頭，在前緣附近形成高壓區，促使緊貼圓柱表面的附面層向后側延伸，當雷諾數達到一定數值（Re＝150），圓柱體的背后形成交替錯開的2排旋渦，當Re大于300時，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。由于湍流在下游結構的側面流動，從而使圓柱體受到一個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，當雷諾數在3×105～3.5×106范圍內時，其數值為0.2～0.24，故有

當激振頻率fs接近結構的自振頻率時，結構就會發生共振。

2 圓柱體混凝土樁的流體誘發振動

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，形成一個固支懸臂梁，見圖1。

圖1 圓柱混凝土樁示意圖

設梁懸臂部分的質量為m，直徑為D，長度為l，距離根部x處的撓度y取為［2］

式中：yl為樁項的撓度。

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式，得到

ω＝5.53rad／s，即f＝0.88Hz。當fs＝0.88Hz時，則由斯特羅哈數知

即當水的流速v為4m／s時，樁將產生共振。由于水流的持續作用引起樁的激振。

為了防止激振造成的危害，可采取一定的技術措施［3］：

（1）錯開旋渦頻率ωs與結構的固有頻率ωn。在設計階段，不僅可改變結構的固有頻率ωn，也可改變ωs。對于已建成的結構，其固有頻率不能改變，結構的特征尺寸和流速也不易改變，對此只能采取改變其結構外形，提高光潔度等措施，改變斯特羅哈數。

（2）采用旋渦干擾裝置。（3）增加結構的阻尼。

3 結語

本文根據港灣工程中廣泛使用的圓柱體混凝土樁在水流中產生的自激振動現象，通過分析驗算，探討了水流誘發渦致振動的條件。分析表明，在一定的水流條件下，不能忽略流體渦旋對樁的作用，這對克服樁自激振動的實際問題非常重要。

［1］張相庭.結構風壓和風振計算［M］.上海：同濟大學出版社，1985.

［2］［日］井町勇.機械振動學［M］.尹傳家，黃懷德，譯.北京：科學出版社，1979.

［3］丁文鏡.工程中的自激振動［M］.長春：吉林教育出版社，1988.