海底缆跨自振频率和模态的理论与试验研究

摘要

海底电缆输电工程是跨海域联网工程建设的重要组成部分，在实现电网国际化、区域电网互联进程中起着重要作用，已广泛应用于电网跨海域互联、海洋岛屿供电、海上石油平台供电等方面。海缆敷设于海床后，由于水流对海床的冲蚀而产生悬空段，水流流经悬空段时，会引发涡激振动，导致铅护套的疲劳开裂，出现事故。海底缆跨涡激振动是一个非常复杂的流固耦合问题，其中自振频率和海缆振型分析是涡激振动问题中重要的组成部分，为实际海缆工程采取有效的涡激振动抑制措施提供依据，对保证海底电缆的安全运行具有重要的意义。 本文从理论分析与模型试验两方面对海底电缆的自振频率及振动模态进行了研究。首先进行了海缆自振频率的理论分析，根据已有工程的基础资料，选取具有代表性的三个悬跨长度（10m、15m、20m），根据不同边界条件（铰支撑、光滑支撑、固定支撑）对应的理论，计算并分析了不同跨长、不同边界条件下海缆的自振频率及振型。之后进行物理模型试验，同样选取三个悬跨长度（1.06m、1.43m、2.14m），实测并分析了不同拉力、不同悬跨高度下海缆的自振频率及振型。最后通过理论值与实测值进行对比分析，明确海缆自振频率及模态与拉力、悬跨高度、边界条件、弹性模量等变量之间的关系及变化规律。