深海立式管道结构(简称“立管”)用于连接海上平台和海床井口,是海床井口向平台输送油气的基本装置,也是深海油气开发系统中最复杂的结构。立管内部在深海油气开发系统运行期间一般有高压的油或气流过,外部则需承受波浪、海流、冰及地震等复杂海洋环境荷载的作用。同时顶部有与之相连的平台,底部与海床相互作用,这使得立管具有服役环境恶劣,受力极为复杂,建设成本巨大等特点。涡激振动(Vortex-induced vibration,VIV)是引发立管在服役期间产生疲劳破坏的重要因素,特别是“锁频”现象的出现,会大大加剧立管的疲劳破坏。实际海况中流体形式错综复杂,海洋流速剖面随高度变化存在一定的速度梯度,即使位于同一平面内也会随着位置不同存在速度梯度。深海海域中表层海流流速往往高于底层,且随海洋深度的增加而线性降低,截面呈现出“倒三角”模式。为了更好地模拟真实海况中“倒三角”的海洋流速剖面模型,本文在波流联合水槽中开展了不同激励水深下深海立管涡激振动的试验研究。立管模型采用长2.0m,外径18.0mm,长细比为111.11的透明柔性有机玻璃管,沿立管模型轴向方向布置6个测点,相应的每个测点布置4个光纤光栅传感器,分别测量横向和顺流向的振动响应。试验中立管采用站立式姿态固定于支撑装置上,上端施加恒定的顶张力。通过等量纲变化激励水深的高度,并变化各级水深的外流流速等水动力学参数,测量不同激励水深高度对应工况下立管的顺流向和横向的振幅,频率,位移,模态等数据,探索不同激励水深作用下立管的主导频率、主导模态、无量纲位移和振动轨迹演化过程等动力响应参数规律,进一步采用小波变换方法所得的时频尺度图分析立管在不同激励水深下的特征频率变化规律和时间域内频率的组分特征,从而揭示激励水深高度对立管涡激振动响应的敏感特性。研究结果表明:不同激励水深下立管的涡激振动规律在不同外流流速区间内存在较大的差异性,在不同激励水深高度范围内对立管的振动频率和位移振幅均有着不同程度的影响。激励水深高度的变化会改变立管的附加质量和流体阻尼等参数,进而影响管后漩涡脱落的空间关联性和稳定性。通过小波变换所得不同激励水深下立管振动时频尺度图可清晰体现时间域内频率的烈度变化及频率组分,时间域内特征频率在一定范围内分布,在锁频区间内,特征频率的分布范围变得非常狭窄且以锁定频率为中心。激励水深高度的增加使立管的锁频区域开始点逐渐提前,进一步促进立管结构高阶振动频率的激发。随着激励水深高度增加,增强了附加质量所引起周围流体微团加速运动的稳定性,强化了流体阻尼所引起结构物表面出现的粘性剪切和流体分离,使其在低流速时的规律性较为明显。在等量纲激励水深高度内,主导频率、主导模态和无量纲位移在高流速下对激励水深高度敏感度低。激励水深高度的变化会干扰立管非线性耦合的关联度,“8”字型逐渐变得不规则,立管的运动轨迹呈现出“O”型、“X”型和“月牙”型。