鋼管樁水下沉樁聲輻射機(jī)理及控制方法研究.pdf

1、人類的海洋開發(fā)活動日趨頻繁，海洋工程在給人類帶來巨大利益的同時，也帶來了海洋環(huán)境問題。人類活動引發(fā)的海洋噪聲問題已經(jīng)在國際社會上引起了廣泛的關(guān)注。鋼管樁的沖擊沉樁輻射的水下聲壓是最嚴(yán)重的噪聲之一。管樁樁壁在錘頭的沖擊作用下發(fā)生振動并向海水中輻射寬頻水下聲壓，高強(qiáng)度的打樁噪聲會造成海豚、鯨和魚類不同程度的傷害，引起動物焦躁，影響鯨與同類之間交流，甚至摧毀海豚的聽力系統(tǒng)，致使其失聰死亡。研究海洋鋼管樁的振動及聲輻射機(jī)理、算法及控制方法，對海

2、洋工程及海洋動物保護(hù)而言具有極其重要的意義。
　　目前對海洋沖擊沉樁輻射聲的研究還處于起始階段，仍然存在很多需要進(jìn)一步研究和亟待解決的問題，已有方法本身還存在一些局限性。目前已有的降噪方案存在所需工程量大、經(jīng)濟(jì)耗費(fèi)大等缺點(diǎn)，因而未能被廣泛接受和應(yīng)用，探索經(jīng)濟(jì)有效且方便執(zhí)行的降噪方案成為當(dāng)務(wù)之急。本文針對目前該領(lǐng)域存在的問題作了深入的探討和分析，有針對性地提出了這些問題的解決方案，研究得到了國家自然科學(xué)基金（Grant No.112

3、72208）的資助。論文結(jié)合理論建模、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測試等手段對海洋沉樁所涉及的結(jié)構(gòu)波傳播、錘-樁-土相互作用、聲振耦合計(jì)算等問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，對海洋沉樁噪聲的控制方案進(jìn)行了探索。文章的主要研究內(nèi)容及相應(yīng)的結(jié)論如下：
　?。?）詳細(xì)研究了錘頭、管樁內(nèi)的波傳播問題，分析了錘頭、砧鐵、樁墊（或錘墊）、管樁與樁底土之間的相互作用。建立了波傳播分析的非線性一維有限差分動力學(xué)模型，并基于該理論模型，研究樁墊的材料非線性及錘頭、砧鐵與樁頂

4、之間的反彈與連擊等物理現(xiàn)象對錘擊力及土穿透量的影響。研究發(fā)現(xiàn)：考慮樁底土阻抗對沖擊力的計(jì)算有重要意義；沖擊過程中，錘頭、砧鐵與樁頂之間可能發(fā)生多次反彈與連擊，但連擊力一般不能引發(fā)進(jìn)一步的土穿透；墊子能有效降低沖擊力的峰值和沖擊力的高頻分量；錘頭及砧鐵的反彈會減小有效傳遞能量，從而減小樁底土穿透深度。
　?。?）深入研究了錘擊載荷作用下鋼管樁振動及聲輻射問題，基于Hamilton原理，提出了一種管樁聲振耦合計(jì)算的半解析方法，利用變分

5、方程求解殼體振動問題。理論分析及數(shù)值計(jì)算揭示水下輻射噪聲的分布、傳播與衰減規(guī)律及輻射聲壓傳播的頻散特性。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的對比表明，該理論模型能夠?qū)Ｑ蟪翗对肼曔M(jìn)行有效的預(yù)測；在管樁環(huán)頻附近，殼體輻射阻抗很大，聲壓頻譜在該頻帶上出現(xiàn)明顯凹谷；輻射聲壓由傳播模態(tài)及衰減模態(tài)共同貢獻(xiàn)，在低頻段，管樁附近的聲場中衰減模態(tài)的貢獻(xiàn)更大；隨著激勵頻率的增加，聲波到達(dá)海水海泥界面時，大部分聲能量在界面上被反射，折射現(xiàn)象逐漸減弱。
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6、3）設(shè)計(jì)了小型鋼管樁的沉樁輻射聲實(shí)驗(yàn)，測試和分析了樁底沖擊力及水下輻射聲壓，明確了沉樁水下噪聲的頻帶、空間分布及衰減特性。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：水下噪聲的第一階共振頻率由管樁的首階軸向固有振動決定；水下聲壓具有明顯的深度依賴性；輻射聲壓隨距離的衰減曲線表明水中的聲波能有效穿過水與泥的接觸界面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了發(fā)展的聲振耦合力學(xué)模型的有效性。
　?。?）深入研究了墊子、砧跌對沉樁輻射聲壓的影響，并提出了基于樁墊參數(shù)選擇的降噪方案。首先，我們研

7、究了墊子及砧鐵的使用對水下輻射聲壓的時域波形、幅值及頻域響應(yīng)的影響，并從能量傳遞的角度揭示樁墊降噪的機(jī)理。隨后分析了參數(shù)變化對聲壓的峰值聲壓級及聲曝露級的影響規(guī)律。最終基于分析結(jié)果，給出了最優(yōu)的墊子安裝位置及參數(shù)選擇建議。得到主要結(jié)論如下：樁頂應(yīng)力的尖銳上升沿會在管樁上激發(fā)出強(qiáng)烈的高頻振動，使管樁產(chǎn)生高強(qiáng)度的水下噪聲；墊子的使用能有效緩沖樁頂沖擊力，防止樁頂應(yīng)力產(chǎn)生尖銳的應(yīng)力上升沿；墊子主要通過延長沖擊能量傳遞到管樁上的時間來降低管樁的