悬浮隧道动力响应分析方法及模拟的研究进展

为了明确悬浮隧道在水下环境及交通荷载作用下的受力行为,以及承受冲击、地震等极端荷载时亟待研究解决的动力问题,首先综述了波流环境中悬浮隧道管体、锚索构件动力响应、振动稳定性分析与锚索疲劳损伤评估等方面的研究进展,对比了几种锚索振动理论分析模型的差异;同时针对悬浮隧道在运营中可能面临的地震、极端波浪等偶然作用威胁,总结归纳了该方面结构振动研究的最新进展。分析结果表明:现有的动力分析理论模型基本采用将隧道管体、锚索分开讨论或者对两者耦合振动系统简化处理的方法,而对考虑车辆移动荷载作为外部激励时相互耦合的动力研究几乎未见,因此有必要在流体-悬浮隧道-车辆系统耦合振动方面展开研究;由于地震、冲击荷载等偶然作用导致结构振动的计算模型不够精确及缺乏试验数据,有必要建立多种特殊荷载和灾害作用下的多尺度动力响应理论模型并开展试验研究。     

基于人体适应性的悬浮隧道抑振指标限值研究

为了能有效抑制波流耦合作用下悬浮隧道振动对人体适应性的影响,提出一种基于人体适应性的悬浮隧道振动指标限值获取方法。综合不同振动特性下人体适应性评估的经验、标准以及研究,提出悬浮隧道下人体适应性的加速度限值;同时通过数值仿真模拟悬浮隧道与人体振动特性,分析悬浮隧道振动条件下人体各部位受到加速度,并以人体加速度极限标准为基础,对悬浮隧道振动指标进行解析,提出抑振指标限值。结果表明：悬浮隧道下人体适应性的加速度为0.2 m/s²;人体仿真中腹部所受加速度最大,根据人体适应下的最大加速度,制定悬浮隧道不同振动频率与振幅人体适应性限值表,提出在保障人体适应基础上悬浮隧道允许的最大振动与振幅。该结果可为后续悬浮隧道实例工程抑振指标取值提供数据参考,保障悬浮隧道人员通行的适应性。     

洋流作用下悬浮隧道动力学行为试验研究

为测试悬浮隧道在洋流作用下的动力学行为,根据流场相似准则和弹性相似准则以及试验条件恰当地进行模型试验设计.考虑到实际流场洋流方向的不确定性,以圆形截面悬浮隧道进行试验,通过测试洋流作用下悬浮隧道管段的应变情况获得悬浮隧道的力学行为.试验模拟测试了在各种不同流速条件下,单节悬浮隧道管段在分别布置2组锚索支撑和布置3组锚索支撑时,悬浮隧道管体结构环向应变和轴向应变及张力腿锚索的轴力.试验表明:(1)管段外侧环向应变较内侧大,内外侧轴向应变相差不大;迎流面环向应变较背流面大,迎流面轴向应变较背流面小;外侧顶面环向应变与底面环向应变相差不大,外侧顶面轴向应变与底面轴向应变也相差不大;(2)增加支撑锚索数量能减小管段结构和锚索的受力;随着流速增加,管段上相同测点的轴向应变、环向应变都随流速的增大呈线性关系变化;(3)管段相同侧锚索轴力随时间的变化趋势基本一致,但受力变化并不均匀,迎流面侧锚索所受拉力随流速增大而线性增大,背流面位置处锚索所受拉力随流速增大呈线性减小后变为压力.     

我国悬浮隧道水动力特性及模型试验研究进展

悬浮隧道是一种跨越深大水域的新型交通方案，在地质条件差和环境保护要求高的水域优势突显，成为最具竞争力的跨海通道形式，引起了国内外学者的广泛关注。简要介绍了悬浮隧道的结构特点与研究概况，重点梳理了国内学者在悬浮隧道的水动力特性与动力响应、锚索涡激振动及控制和模型试验研究方面的研究成果，并对需进一步研究的问题进行展望。分析表明：1)已有研究普遍采用欧拉梁和弹性支承梁模型分析管体的动力响应，锚索的计算大多采用无质量的弹簧或受拉的杆单元；2)环境荷载集中于均匀流与规则波，模型试验以小比尺节段模型试验为主；3)波-流-交通耦合荷载或极端波流荷载作用下的动力响应、大比尺多管节模型试验将是未来的发展方向。     

水下非接触爆炸冲击作用下悬浮隧道动力响应

为了研究水中悬浮隧道在近场非接触爆炸荷载作用下的运动学及动力学行为规律,通过任意拉格朗日欧拉耦合算法处理流固耦合和强间断流场模拟问题,采用Jones-Wilkins-Lee （JWL）方程和Mie-Gruenisen状态方程分别模拟爆生气体和水的压力,并利用基于势流理论和边界元法的LS-DYNA有限元动力学程序实现上述问题求解计算,分析锚索支撑体系、炸药量和爆心距离对悬浮隧道结构位移、速度、加速度和应力的影响。结果表明：非接触爆炸冲击作用下,3种支撑体系的差异对悬浮隧道管段的位移、速度、加速度和应力影响较小,相同爆炸荷载作用下垂直支撑锚索的轴力远小于其他2种工况（组合支撑和倾斜支撑）,组合支撑体系和倾斜支撑体系比垂直支撑体系锚索轴力最大值要大296%和283%;管体的位移、速度和应力随着炸药量增加近似呈线性增加,加速度近似呈抛物线增加,200,500 kg炸药引起的管段跨中加速度比100 kg炸药引起的加速度大26.2%和223%,炸药量是影响悬浮隧道结构安全性的关键因素;管段位移、速度、加速度和应力随着爆心距增加而近似呈幂函数下降;与2 m爆心距相比,5,10,20 m工况时加速度峰值分别下降了73.2%、94.2%、97.5%;通过回归分析和拟合函数可计算满足结构安全的允许炸药量和安全距离,进而为非接触爆炸荷载作用下悬浮隧道的安全性评价提供依据。     

波流作用对深水桥梁地震响应的影响分析

为研究波流作用对深水桥梁下部结构地震响应的影响,采用ANSYS-CFX软件建立圆形截面桩-水耦合数值模型,计算波流与地震作用下桩的位移和应力响应,分析不同波流(相对水深比、相对流速比、波陡、周期、方向角和相位角)作用下的地震响应。结果表明:随着水深的增加,波流对地震响应的影响增大;相比弱流强波,强流弱波对地震响应影响要显著;波高对地震响应影响与波高大小呈线性关系;波流荷载并不总是起到加大地震响应的作用,波流与地震作用方向角和时间相位差会随机削弱或加强地震响应;波流对地震响应影响可达56.5%,在跨海深水桥梁抗震分析时波流作用的影响不容忽视;6个因素中,周期影响最显著,准确地概化波浪有效周期对结构设计安全至关重要。     

悬浮隧道结构动力响应研究进展与展望

悬浮隧道是未来峡湾跨越、深海通道等重大交通工程建设的重要方式。针对悬浮隧道建设的关键问题,综述近年来国内外悬浮隧道断面结构型式、管节结构动力响应、锚索涡激振动、悬浮隧道试验技术及悬浮隧道适应性等方面的研究进展,总结出悬浮隧道结构动力响应研究存在的关键问题,并对悬浮隧道进一步深入研究的方向进行展望。结果表明:1)在断面设计方面,耳形或椭圆形断面型式的悬浮隧道在复杂动水环境中稳定性好,但也需要综合考虑管节结构断面型式、浮重比与布置方式等因素; 2)在结构与锚索动力响应方面,现有研究方法以理论推导与数值模拟为主,模型试验技术相对薄弱,有必要开展环境荷载-交通荷载-悬浮隧道多荷载耦合下的模型试验,验证理论分析与数值模型; 3)在适用性方面,有必要在有条件的水域建设小型悬浮隧道对静态水域开展实体隧道研究,发现并解决问题,为复杂海况下大型悬浮隧道建设提供技术积累。     

水中悬浮隧道管段锚索耦合模型涡激振动研究

为了分析水中悬浮隧道在水流作用下的动力响应,通过Hamilton原理推导得到了悬浮隧道管段和锚索的运动控制方程;同时引入锚索横向和轴向变形之间的耦合作用,建立了悬浮隧道的动力响应模型,并考虑锚索发生顺流向涡激振动的影响,在时间域内求解运动控制方程.计算结果表明:若锚索长细比很大,则锚索横向和轴向变形之间的耦合作用不可忽略;锚索发生顺流向涡激振动时,结构的横荡和横摇响应幅值增大,但垂荡响应基本不受其影响.     

长江隧道衬砌结构地震响应的三维数值分析

以武汉长江隧道为工程依托,运用Ansys软件对盾构隧道在水平、竖向双向耦合地震作用下采用3种不同衬砌材料的地震响应进行三维数值模拟,分析这3种工况下隧道衬砌结构的不同部位上应力和位移的分布状况,探明了盾构隧道在地震作用下衬砌结构的动力响应规律,找出了衬砌结构的受力最薄弱部位,研究可对盾构隧道的抗震设计提供理论参考.     

波流与地震共同作用下跨海斜拉桥动力反应研究

为了揭示跨海深水桥梁多灾害荷载耦合作用规律,基于非线性Morison方程,建立了波浪、水流和地震联合作用下水-结构体系动力平衡方程(波浪运动描述采用非线性Stokes五阶波)。在大型通用有限元ANSYS软件上编制APDL程序,通过动力时程分析法,以某跨海深水斜拉桥为依托,研究了水对跨海深水斜拉桥结构动力特性以及动力响应的影响,并研究了地震、波浪和水流荷载对跨海深水斜拉桥结构的作用效应,阐明了三者共同作用特点。研究表明:跨海深水斜拉桥属于柔性结构,基本频率较低(基频为0. 092 835 Hz),同时周围水的存在对结构频率有降低作用,最大降幅为13. 4%,水对该跨海深水斜拉桥结构地震响应有增大作用,最大增幅为27. 6%;在波流与地震联合作用时,波流场与地震对结构振动而产生的振荡流场叠加,从而形成一个新的共存流场,联合流场将改变纯波流场的频率,使得波流荷载偏离结构既定的共振周期,从而削弱共振效应,整体流场振动频率介于单独波流场频率和地震主频之间,波流对地震响应影响可达124. 2%,波流与地震作用之间存在相互影响,因此,对处于复杂海洋环境中的跨海深水桥梁结构进行波流与地震联合作用分析是必要的。     

埋置式波纹钢-混凝土受力特性及地震动响应研究

埋置式波纹钢-混凝土结构多用于公路明挖隧道和棚洞，但目前对该类结构的研究较少。以某绕城高速公路为例，针对在高填方填土荷载及地震动力荷载作用下，研究明挖隧道中使用波纹钢-混凝土结构作为顶棚的安全性及其地震动力响应规律。研究表明：1)在填土及地震动力荷载作用下，波纹钢-混凝土结构具有良好的整体受力性能，其挠度与应力均满足静力荷载下的安全要求；2)在选用的卧龙波作用下，波纹钢-混凝土结构在左侧拱肩处位移响应最大，在左侧拱肩至拱顶处应力与加速度响应最大；3)结构不同波峰、波谷、波中截面的地震动力响应差异不大。     

水中悬浮隧道研究进展

介绍了各国关于水中悬浮隧道的研究进展,主要包括:波浪和水流作用下水中悬浮隧道与流体相互作用的理论分析模型,波浪环境下水中悬浮隧道的锚固系统的涡激振动数值分析,地震激励下水中悬浮隧道的动力响应分析,水中悬浮隧道的结构问题,针对实际工程背景的波浪环境载荷下的模型试验及水流环境中水中悬浮隧道阻力系数、惯性力系数的试验研究。最后讨论了水中悬浮隧道尚需要进一步研究的问题:荷载的确定,结构分析和设计方法,针对性的模型试验,安全性研究等。     

水中悬浮隧道交通荷载模拟方法研究

为研究水中悬浮隧道交通荷载的合理模拟方法以及交通荷载对隧道结构的影响,借鉴铁路、公路交通荷载的模拟方法,综合考虑车辆轮载、路面不平度、行车速度以及外部激励荷载等影响因素的共同作用,提出水中悬浮隧道交通荷载的模拟表达式。通过数值模拟计算,分析悬浮隧道交通荷载的变化特征,并研究不同交通荷载模拟方法对悬浮隧道结构振动位移响应的影响。结果表明:文章提出的交通荷载模拟方法计算结果符合移动振动荷载的波动性和周期性特征。在对结构振动位移响应影响方面,固定均布荷载相当于静载,移动集中荷载和移动振动荷载时的位移变化幅值相对固定均布荷载时的大且影响相似,但移动振动荷载时的振幅稍大,体现了交通荷载中动荷载部分对结构振动位移响应的影响,更适合用来模拟悬浮隧道中的交通荷载。     

水中悬浮隧道锚索的非线性涡激振动研究

建立了水中悬浮隧道锚索在波流场中涡激振动的非线性数学模型,考虑了锚索的几何非线性对其涡激振动的影响,并应用有限差分法求解了锚索的运动控制方程。计算结果表明:锚索在顺流向和横向2个方向运动的耦合作用特别是几何非线性作用的引入,抑制了部分高阶模态的激发,使锚索横向涡激振动的振幅减小,顺流向振动的振幅增大;在悬浮隧道的振动引起的强迫激励和参数激励作用下,锚索顺流向涡激振动振幅显著增大,横向涡激振动出现"拍"的现象。     

考虑余震影响的软岩隧道施工期结构力学特性研究

依托处于强震区复杂应力环境中的典型软岩隧道,通过现场实测数据,首先对静力开挖时隧道结构力学特性进行了分析;并以此为基础结合三维数值仿真分析,进一步研究了不同隧道开挖工法以及在不同施工阶段时隧道余震动力响应规律.研究结果表明:在隧道不同开挖工法下,通过比较余震作用产生的隧道位移差、隧道结构与围岩加速度响应、塑性区和初期支...     

山岭隧道洞门段衬砌结构动力响应及震害机理研究

以汶川地震中遭遇严重破坏的烧火坪隧道为背景,建立三维有限元数值模型研究洞门浅埋隧道结构在地震作用下的动力响应特性。同时,为真实反映岩土体及混凝土衬砌结构在强震作用下的屈服变形及损伤破坏过程,在数值计算中引入Drucker-Prager屈服准则及混凝土损伤本构模型。根据数值计算结果对衬砌应力响应及结构损伤破坏分布特征等进行分析,并与现场震害模式进行对比讨论。研究结果表明:隧道洞门浅埋区域主要以拱腰及拱肩区域的受拉破坏为主,结构稳定性及破坏主要受第一个地震动峰值段控制;破坏程度随着隧道纵深的增大而逐渐降低,并在距离洞口约40 m处趋于稳定;隧道拱腰两侧围岩屈服破坏导致刚度降低是造成衬砌拱腰应力增大及破坏的主要原因。     

西堠门公铁两用大桥高桩承台基础波流荷载特性研究

西堠门公铁两用大桥主桥5号桥塔采用高桩承台深水基础，承台为六边形截面，长68 m、宽46.4 m、高10 m,桩长88 m。为了解该跨海桥梁高桩承台深水基础在海洋环境下的波流荷载特性，对高桩承台基础在不同波流条件下所受波流力展开研究。采用CFD软件Flow 3D建立三维波流数值水槽模型，实现波流耦合数值仿真，在通过缩尺模型水槽试验验证可靠的基础上，采用数值仿真计算高桩承台基础不同构件在波流同向、反向及纯波时，不同流速条件下所受波流力，并分析群桩波流力的非均匀特性，提出群桩波流力非均匀性系数γ和桩基系数K以表征群桩波流力特性。结果表明：高桩承台基础在纯波及波流同向时横桥向波流力变化不大，在波流反向时横桥向波流力显著增加，其最大值为纯波条件下最大值的1.13倍；承台所受横桥向波流力在波流同向时随流速增大而减小，在波流反向时一定流速范围内随流速增大而增大；群桩主要受水流力作用，所受作用力随流速增大而增大；群桩波流力非均匀性系数γ最大可达75.9%。     

近断层地震作用下城市轨道交通隧道及道床结构力学响应分析

依托乌鲁木齐轨道交通2号线工程,针对近断层修建城市轨道交通隧道工程时地震作用引起道床结构动力响应问题,采用有限差分法模拟分析明挖法双线箱形曲拱形地铁隧道道床结构在地震作用下的位移及速度响应,并探讨了地震作用对隧道下部结构及道床的作用特性。研究结果表明:地震作用下,隧道结构各部位位移及速度响应时程曲线高度重合,力学响应规律一致,但响应幅值略有差异,道床的响应幅值最小,拱顶响应幅值最大,为重点设防部位。地震发生后,隧道结构未发生严重的扭转变形,道床结构也未发生明显塑性变形。     

港珠澳大桥埋置承台与桩波流作用动力响应分析与试验研究

该文依托港珠澳大桥埋置式承台足尺模型工艺试验项目,采用理论计算分析与原位试验监测相结合的方法对埋置式承台与桩的波流作用动力响应进行研究。理论计算分析采用流体力学计算软件Flunt、Sesam与通用有限元计算软件Ansys相结合的方法,对波流作用下的承台与桩的动力响应进行分析,并结合原位试验与动态监测,揭示了承台与桩在波流作用下的动力响应特征,并定量地分析了其对桩与承台连接节点混凝土浇筑质量以及结构耐久性的影响,为港珠澳大桥主体工程建设提供依据。     

断层破碎带隧道地震反应规律的数值模拟研究

基于土—结构相互作用理论,对高烈度地震区跨断层破碎带公路隧道进行了抗震计算,分析得出了隧道结构各控制点的位移、加速度及应力响应的一般规律,同时分析了不同断层倾角对隧道纵向稳定性的影响。结果表明:在地震作用下,断层破碎带隧道拱部、墙脚为抗震薄弱位置;结构振动加速度波形与输入波形相似;断层倾角越小,隧道结构受力越不安全。这些结果可为地震区断层破碎带隧道结构设计提供参考。