水激振动解决方法

影响水激振动的因素较为复杂，过水建筑物又形态多变，因此尚无普遍适用的规律可循。而解决实际问题的方法，基本上还是依靠模型试验及原型观测。中国最早进行弹性振动模拟试验的工程实例是河南省三义寨人民跃进渠首的弧形闸门。

(1)自激振动。结构物振动的能量来自水流，但水流的脉动却是结构物振动的直接后果。例如闸门止水有漏水的缝隙使止水振动，而止水的振动可使水流产生脉动。

(2)自控振动。水流的脉动激发结构物振动，而结构物的振动又对水流的脉动产生制约作用，这两种作用达到平衡，使振动呈相对稳定状态。如绕流物体后稳定的卡门涡街引起的物体振动。

(3)强迫振动。结构物的振动对水流脉动无明显反馈作用。例如波浪激发的建筑物振动，水跃激发的闸门振动等。

水激振动结构物（水工建筑物）的动力试验

虽然现在计算技术得到了很大发展，但动力试验仍是解决水激振动的主要手段。一般通过结构动力试验研究的主要内容为：

(1)确定结构物在线弹性范围内的动力特性。如所有有意义的自振频率和相应的振型，它们的阻尼值。这些动力特性可由模型试验或由原型试验求得。

(2)确定各种特定荷载下的动力反应。如动应力和位移等。原型结构的动力试验主要有人工加振和利用自然振动两种措施。模型试验的动力试验目前主要有激振器和振动台两种方法。

水工建筑物的水弹性试验要求同时满足“动荷载”输入系统相似和结构动力响应系统相似，其结果将要求材料容重比尺等于1，弹性模量比尺等于模型几何比尺，阻尼比比尺等于1，泊松比比尺等于1，并合理地选取模拟范围，即边界条件要求相似。要完整地满足上述要求是相当困难的。一般只能使其中主要项目满足相似要求。

文献中也曾有人先将作用在水工结构物上的水流脉动载荷与结构物的自振特性分别定出，然后再用一般动力分析把二者结合起来从而得出水弹性振动特性，现在用这种办法的已逐渐减少。

振动是物体沿直线或曲线并经过其平衡位置所作的往复运动。一般指机械振动。在科学技术中振动一词通常指周期性振动，即每经过一定时间后，振动体回到原来的位置。象钟摆、弦线、音叉等的运动都是。其它如一个物理量通过某一恒定值而在其最大值和最小值之间往复变化的过程，也称振动。例如交变电磁场中的电场强度，磁场强度，交流电中的电流强度、电压等。物体随时间按正弦或余弦规律变化的过程，称谐振动，一般用A=A₀sin (ωt θ)表示(A_o为最大振幅，ω是角频率，θ为初相，t为时间)。如悬挂在弹簧下端的物体的运动就是一种谐振动。物体在不受外力而阻尼又可忽略的情况下，自然进行的振动称固有振动。如击鼓后鼓膜的振动，充电电容器和电感线圈联成回路后，电路中电流的振荡等。振动系统受到阻力作用，造成能量损失而使振幅逐渐减小的振动，称阻尼振动。如单摆因受空气阻力，振荡电路中由于电阻及电磁辐射而使振幅逐渐衰减的振动。振动系统在周期性或非周期性的外力作用下所作的振动，称受迫振动。此外，不具有周期性规律的振动，称无规振动或随机振动。任何复杂的振动都可以由许多不同频率和振幅的谐振动合成，谐振动是最简单的也是最基本的振动。

对于海洋工程上普遍采用的圆柱形断面结构物，这种交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者柔性管体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体(管体)的周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体一结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”（Vortex-Induced Vibration ：VIV）。

在处理涡激振动问题时，把流体和固体弹性系统作为一个统一的动力系统加以考虑，并找到两者的耦合条件，是解决这个问题的重要关键。在涡激振动过程中，流体的动压力是一种作用于弹性系统的外加载荷，动压力的大小取决于弹性系统振动的位移、速度和加速度;另一方面，流体动压力的作用又会改变弹性系统振动的位移、速度和加速度。这种互相作用的物理性质表现为流体对于弹性系统在惯性、阻尼和弹性诸方面的耦合现象。

由惯性耦合产生附连质量，在有流速场存在的条件下，由阻尼耦合产生附连阻尼，由弹性耦合产生附连刚度。流体的附连质量、阻尼和刚度取决于流场的流动特征参量（诸如流速、水深、流量等）、边界条件以及弹性系统的特性，其关系式相当复杂。用实验或理论方法求出这些附连的量，是水弹性问题研究中的重要课题。

实验证明，漩涡的发放频率f可用无量纲参数斯特劳哈尔数St（Strouhal Number）来表示，表达式为：

f=St*V/D

St是构件剖面形状与雷诺数Re的函数，其定义式为St=D/（V*T）。

其中：V为垂直于构件轴线的速度（m/s）；

D为圆柱直径或柱体的其他特征长度（m）；

T为相关的特征时间（s）。

假若构件的自振频率与漩涡的发放频率相接近就会使结构发生共振破坏，这种现象容易发生在高耸结构物上，因此这种涡激振动是极其有害的，需采取措施阻止它的发生。一般可采取两方面措施：一是对于构件进行刚性加固，或者增大尺度提高其刚度，改变构件的自振频率，避免它与漩涡发放频率相接近；二是想办法改变构件后的尾流场，破坏尾流场漩涡的规律性泄放，如在结构上安装螺旋线立板和改变结构截面形状等。