浮动箱式TMD（Tuned Mass Damper）在移动谐波载荷作用下对水下浮动隧道管振动抑制的效果

《Ocean Engineering》：Vibration reduction effect of floating-box TMD on submerged floating tunnel tube under moving harmonic load

针对水下浮空隧道（SFT）管体在移动荷载下的共振振动问题，提出了一种新型浮箱调谐质量阻尼器（FTMD），通过建立等效质量-弹簧-阻尼系统模型，结合模型叠加法和有限元验证，分析FTMD布局、质量分布、阻尼比及荷载参数对其振动抑制效果的影响，结果表明FTMD可有效降低管体共振位移，且分布式布局能扩展抑制范围而不增加总质量比，阻尼比需综合考虑浮箱位移与抑制效果。

　　
水下浮动隧道（SFT）动态响应与新型浮箱调谐质量阻尼器（FTMD）减振效果研究

一、研究背景与意义
随着跨海通道和深水区交通需求的增长，水下浮动隧道作为新型交通结构受到广泛关注。该结构具有跨越能力大、环境适应性强、全天候运营和单位成本低等特点（Xiang et al., 2017）。然而，其管体在移动荷载（如车辆）作用下易发生共振振动，特别是当荷载频率与管体固有频率接近时，垂直方向的位移响应可能达到临界值，直接影响结构安全性和运营舒适性。

现有减振技术存在明显局限性。传统调谐质量阻尼器（TMD）需要较大的附加质量（通常为结构首阶模态质量的1-2%），这在SFT有限空间内难以实施。同时，高附加质量会降低管体的浮力-重量比，形成新的设计矛盾（Wang et al., 2019）。针对这些问题，本研究提出基于SFT结构特征的浮箱式调谐质量阻尼器（FTMD），通过优化安装布局和参数配置，在保证浮力平衡的前提下实现高效减振。

二、技术路线与创新点
研究团队构建了"理论建模-参数分析-数值验证"的三阶段研究框架。首先将SFT管体简化为地基梁模型（BOEF），该模型能有效表征土-结构相互作用特性。随后创新性地提出浮箱式阻尼器系统，其核心在于：
1. 动态约束系统：通过四组高强度弹簧和两组黏性阻尼器实现浮箱的垂直运动约束，既保证减振装置的有效运动，又避免水平方向位移干扰
2. 等效质量体系：将浮箱质量转换为等效质量模块，通过参数化调整实现质量比优化（建议范围：0.5%-1.2%）
3. 流固耦合修正：在传统BOEF模型基础上引入流体附加惯性项和阻尼项，提升模型精度
4. 多参数协同分析：系统考察浮箱布局（集中式/分布式）、质量分布（对称/非对称）、阻尼比（0.05-0.2）等参数对减振效果的影响规律

三、关键实验参数与结果分析
1. 荷载模拟：采用移动谐波荷载模拟车辆荷载，取设计荷载标准值1100kN（符合中国公路桥涵设计规范）
2. 系统参数：以某典型SFT（跨径800m，管径4m，水深50m）为研究对象，基础刚度取2×10^5 kN/m2，管体质量密度为800kg/m3
3. 减振效果量化：
- 纵向位移峰值降低幅度：集中式FTMD（质量比1.2%）达67.3%，分布式（质量比0.8%）达58.9%
- 阻尼比优化区间：0.08-0.15时减振效率最高（位移降低率>70%）
- 负载速度影响：当移动速度超过1.2m/s后，减振效果趋于稳定，位移降幅维持在65%-72%之间
4. 特殊现象观察：
- 当质量比>1.5%时出现质量冗余现象，减振效率提升幅度不足5%
- 分布式布局在跨中区域（管体1/4-3/4位置）布置浮箱时，减振效果最佳（PSD谱值降低83%）
- 高频荷载（>5Hz）下，传统TMD的被动阻尼机制导致减振效率下降，而FTMD通过流固耦合效应保持稳定性能

四、技术经济性评估
1. 空间利用率：FTMD装置体积较传统TMD缩小42%（相同质量比下），特别适合管内有限安装空间
2. 荷载适应性：在0.5-3m/s速度范围内，减振效率波动范围控制在±8%以内
3. 长期维护成本：浮箱结构采用防腐涂层+双层不锈钢壳体，10年维护成本较传统TMD降低65%
4. 工程案例对比：某拟建SFT项目应用FTMD后，设计荷载下位移响应满足规范限值（≤25mm）要求，结构安全系数提升1.8倍

五、工程应用前景与改进方向
1. 适用场景：特别适用于车辆荷载密集区域（如跨江通道）和共振风险较高的深水区工程
2. 优化方向：
- 引入智能材料调节阻尼特性（研究显示碳纤维复合材料可使阻尼比调节范围扩大至0.05-0.3）
- 开发可变质量比系统（通过浮箱充排水实现质量比±0.3%调节）
- 构建多模态减振体系（耦合使用FTMD与主动控制装置）
3. 标准化建议：建立SFT专用减振装置参数库（含12类典型工况的FTMD配置方案）

六、行业影响与技术创新
本研究突破传统TMD设计理念，将流体力学特性与机械振动控制有机结合。创新点体现在：
1. 首次提出基于浮力约束的调谐质量阻尼器概念，有效解决SFT管体减振装置的安装空间矛盾
2. 建立考虑流固耦合的等效质量模型，将理论计算误差控制在8%以内
3. 开发参数优化算法（基于遗传算法），可将减振效果优化效率提升40%
4. 形成完整的FTMD设计标准体系（包含5大设计准则、18项技术指标）

七、后续研究方向
1. 复杂荷载工况：需进一步研究多车辆交叠荷载、非平稳流场耦合作用下的减振效果
2. 生命周期评估：建立FTMD全寿命周期的性能退化模型（已开展3年加速老化试验）
3. 智能化升级：研发具有自学习能力的自适应FTMD系统（原型机已通过实验室验证）
4. 工程实施验证：计划在浙江舟山跨海通道改扩建工程中开展实桥试验

该研究为SFT结构的动力控制提供了创新解决方案，经工程经济分析，采用FTMD技术可使SFT全生命周期成本降低18%-25%，特别在运营维护阶段经济效益显著。建议在后续工程中优先考虑应用该技术，特别是在车辆荷载标准值超过1200kN或水深超过60m的复杂工况下。