悬浮隧道在波流作用下的响应分析

悬浮隧道是一种新型水下隧道,由于它直接处于波流作用的自然环境中,因此研究悬浮隧道在波流作用下的响应问题,无论是研究阶段还是设计阶段都应是关注的重点.本文将悬浮隧道和支撑结构简化为空间梁系有限单元模型,采用梁元的CR列式法(随体旋转法),在考虑波流与结构相互作用的条件下,概述波流作用下悬浮隧道系统的响应计算方法.计算分析放置深度、跨越长度、隧道断面形式和支撑形式对悬浮隧道静、动态响应的影响.计算结果表明,随着放置深度的增加,悬浮隧道的静、动态响应明显减小;隧道悬浮长度的增加,对隧道静响应的影响较小,而对动响应的影响显著;断面、支撑形式的变化对悬浮隧道的静、动态响应均有显著影响.     

波流作用下悬浮隧道的涡激动力响应

将单跨悬浮隧道简化成简支梁,利用梁的弯曲振动方程,在考虑结构粘性阻尼和非线性流体阻尼的条件下,采用伽辽金法和数值积分法,对悬浮隧道在波流作用下的涡激动力响应进行了计算,分析了隧道断面形式、尺寸及放置深度对悬浮隧道涡激谐振的影响。     

悬浮隧道和支撑结构的响应分析

研究目的:悬浮隧道是一种悬浮于水中的新型交通结构物.由于它直接处于波浪、水流作用的自然环境中,因此计算分析悬浮隧道结构系统在波流作用下的响应,就成为研究和设计工作中必须考虑的问题.本文将悬浮隧道结构系统简化为空间梁系有限元模型,采用梁元的CR列式法,在考虑波流与结构相互作用的条件下,计算分析了跨越长度、隧道断面形式、支撑形式等对悬浮隧道结构响应及支撑所受轴向应力的影响.研究结论:通过计算分析表明,跨越长度由2 000 m增至4 000 m时,隧道静响应位移及支撑所受轴向应力值均变化较小,而动响应位移和支撑所受轴向应力的变化幅值显著增加;椭圆断面隧道的静响应远小于圆形断面隧道,而动响应又远大于圆形断面隧道;锚链式悬浮隧道的响应远小于张力腿式悬浮隧道.     

悬浮隧道在波浪作用下的动力响应分析

研究目的:悬浮隧道与传统的水底隧道的差别在于它直接处于波流作用的自然环境中,其中波浪的作用随时间而变,导致悬浮隧道产生动力效应,因此进行波浪作用下悬浮隧道的动力响应分析,是工程设计中不能回避的问题。研究方法:本文将悬浮隧道和支撑结构简化为空间梁系有限单元模型,采用梁元的CR列式法,在考虑波浪与结构相互作用的条件下,计算分析了放置深度、波浪入射方向及隧道断面形式等对悬浮隧道动力响应的影响。研究结果:当隧道放置深度由30 m增至50 m时,y方向位移响应幅值减小了67%;当波浪倾斜入射时,位移响应幅值减小了98%;当隧道断面由圆形改为椭圆形时,位移响应幅值增大了24倍。研究结论:放置深度、波浪入射方向及断面形式对悬浮隧道的动力响应有显著影响。     

波流作用下悬浮隧道荷载研究

考虑波流之间的相互影响,采用改进的Morison方程,分析了SFT的最大波流力与水流速度、悬浮隧道直径、悬浮深度、水深和波流夹角之间的关系.分析得出:无量纲参数后D一定时,最大波流力随水流速先减小后增加,随SFT直径的增加而增加,随悬浮深度和水深增加而减小;来流速度、SFT直径和悬浮深度是影响悬浮隧道波流荷载的主控因素,波流夹角和水深对悬浮隧道波流荷载影响相对较小.     

固定支承式悬浮隧道在洋流涡激作用下的动力响应研究

以某拟建跨海铁路隧道工程为背景,研究单跨悬浮隧道在洋流涡激作用下的共振响应问题。将隧道结构简化为两端简支的欧拉-伯努利梁,流体阻尼力和拖曳力采用Morison公式计算,采用一种基于Vanderpol方程的尾流振子模型表述尾流涡街和结构的耦合作用。通过振型分解法和龙格-库塔法对偏微分方程组进行计算,分析结果表明:在某一洋流速度范围下,考虑流固耦合效应及非线性特征对结构涡激动力响应结果有显著影响。改变悬浮隧道单跨长是解决结构涡激共振问题最为有效的办法,在某些情况下,改变结构截面尺寸及结构阻尼比也能在一定程度下控制共振响应幅度。     

车体弹性效应下的垂向振动特性研究

针对高速列车车体弹性振动影响悬挂部件的安全性及乘坐舒适性问题,建立考虑车体弹性的高速列车垂向刚柔耦合动力学模型,车体视为两端自由均质等截面欧拉-伯努利梁,在频域内研究弹性效应下的振动特性及其传递关系。分析结果表明,在特定轨道不平顺波长激励下,车体对称模态响应为零,而反对称模态响应最大;反对称模态响应为零,而对称模态响应最大。当车体固有频率与激励频率一致时,车体会产生共振。一阶垂弯共振速度与共振波长对列车运营有重要影响,一阶垂弯模态频率处车体相关频响函数加速度传递率最大,对车体振动贡献最大,速度越高,对一阶垂弯频率要求越高。提高车体结构阻尼和一系垂向阻尼、适当降低二系垂向阻尼可提高车体垂向运行平稳性。     

固定支承式悬浮隧道在列车荷载下的竖向动力响应研究

为了研究列车荷载下固定支撑式悬浮隧道的动力响应问题,以一拟建铁路隧道工程为背景,将水中隧道简化为两端简支的欧拉-伯努利梁,列车荷载简化为一系列移动集中力,建立列车荷载下隧道管体振动微分方程,并通过振型叠加法和隐式数值积分方法求解。以模态分析和时程分析为基础,探讨荷载列速度、水体对动力响应的影响。研究结果表明:移动荷载列通过悬浮隧道时,管体跨中位移放大系数在共振速度处出现了极大值。数据对比表明,水体惯性力相当于增加了隧道管体的附加质量,使其自振频率有所减小,进而减小了荷载列的共振速度,但水体会放大隧道管体共振时的位移响应。     

水下悬浮隧道波流荷载分析研究

悬浮隧道作为悬浮在水中的结构物,波浪、海流荷载必将是影响悬浮隧道结构稳定性的常规荷载。由于悬浮隧道在空间结构上为细长结构物,利用Morison方程计算结构所受到的波流力,分析了悬浮隧道结构所受波流荷载随悬浮深度、海水深度、海流速度以及管段截面尺寸等因素的变化规律。     

张力腿型悬浮隧道涡激响应影响因素分析

研究目的:将多跨悬浮隧道管段简化为作用在锚索端部的集中质量.根据舒适性要求,假定悬浮隧道是小振幅运动.不考虑悬浮隧道张力腿自身的涡激振动对悬浮隧道管段的影响时,在横流向涡激升力作用下建立悬浮隧道垂直于流向的振动方程.将倾斜式张力腿等效成水平张力腿和垂直张力腿.仅考虑悬浮隧道做垂直于流向振动,对于作用于悬浮隧道上的张力腿作用力.将作用于悬浮隧道上的涡激作用力简化为简谐荷载.采用龙格-库塔积分法对振动方程进行了数值求解,并利用MATLAB程序对不同参数情况进行模拟.着重研究了张力腿结构性质的变化对悬浮隧道动力响应的影响.研究结论:研究结果表明,张力腿与海底水平面的夹角对响应影响并不大,张力腿的轴向刚度和初始张力对响应有相同的规律.     

减振扣件对地铁隧道-地表振动特性影响分析

研究目的:不同减振扣件对地铁隧道-地表环境振动的减振效果特性有所差异,列车运行引起的隧道和地表的振动在时域和频域上有较大区别,目前对减振扣件减振效果评价多采用不同断面进行对比分析,但其结果会受到隧道断面周围结构的影响。基于此,本文通过对普通扣件和减振扣件下列车运行引起的隧道结构及地表振动进行现场实测分析,并建立车辆-轨道-隧道-大地耦合动力分析数值模型,研究减振扣件对隧道结构-地表的减振效果。研究结论:(1)减振扣件能有效控制道床和隧道壁上的振动响应,当采用减振扣件后,道床上峰值变小且峰值出现频段向低频偏移,隧道壁上减振扣件在卓越频率范围内出现振动放大现象;(2)地面测点的振动加速度峰值和Z振级随距离振源的位置增加呈现出减小的趋势,但是在15~30 m范围内出现增大的现象,说明在该区域范围内出现振动放大的现象,但放大区间有所不同,应根据具体工程选择合适的扣件;(3)地面同一测点振动加速度峰值和Z振级呈现出W形的变化趋势,因此在进行地面振动控制时应充分考虑控制点所处位置,根据具体情况采用合理的控制措施;(4)本研究成果可为轨道交通中隧道和地表振动控制措施选择提供理论依据。     

土石堆积体精细化模型构建及力学特性数值试验

土石堆积体具有较强的非均质性,其力学破坏特性受内部块石的细部特征影响较大。依托罗打拉堆积体隧道,借助数字图像处理与块石随机投放技术实现了对土石堆积体精细化数值模型的构建,采用大型三轴试验验证模型的正确性,并深入探讨土石堆积体力学破坏的特征及规律。研究结果表明:该方法获得的力学参数及应力应变曲线与三轴试验结果差异不大;在加载过程中,剪切破裂面由试样中部及顶部两端块石尖端与土体的交界面沿土石路径向四周发育,直至形成X形或人字形带状分布的剪切塑性区,并趋于贯通至发生剪切破坏。该方法的提出为土石堆积体力学参数的选取提供了一种新思路,可为土石堆积体隧道工程设计、施工等提供有益指导。     

频繁爆破条件下既有隧道支护结构动态响应研究

以邻近既有隧道的保和村隧道为依托,研究在新建隧道推进式、往复、频繁爆破开挖过程中邻近既有隧道支护结构的动态响应特征。爆破振动速度监测结果表明,邻近既有隧道迎爆侧的拱肩到拱腰部位振动最为强烈,应严格控制振动速度;围岩声波波速监测结果表明,既有隧道支护结构在一定程度上发生损伤、破坏,尤其是迎爆侧。基于对监测结果的分析和损伤效应,对爆炸荷载进行分析简化;结合现场振动监测对爆轰压力进行修正,计算衬砌的振动速度和拉应力,实现动态响应数值模拟;通过数值计算,达到优化装药量以控制邻近既有隧道动态响应特征的目的。     

广深港高速铁路狮子洋隧道减振无砟轨道对周边软土地层影响分析

为防止高速列车振动引起广深港高铁狮子洋大断面盾构水底隧道软土地层液化风险,轨道结构采用减振板式无砟轨道。为考察减振措施效果,分别建立列车-轨道模型、隧道-地层有限元模型,分析列车荷载作用下隧道结构及周围土层动力响应及分布规律,对比分析减振和非减振两种工况下地层动剪应力和加速度,结果表明,采取减振措施可有效降低软土地层液化风险,提高安全储备,达到了预期的目标。研究成果对隧道穿越软土地层设计具有指导意义。     

基于各向异性材料的全预应力梁自振频率的研究

研究目的：探讨从各向异性材料的角度，对全预应力梁中力筋预应力和自振频率间的相关关系进行分析研究，为进一步开展预应力梁的动测技术研究打下基础。研究方法：将预应力混凝土梁按各向异性复合材料进行理论分析和计算。 研究结果：推导出铁木辛柯型预应力梁的自振频率的计算公式。 研究结论：本文的分析方法和计算公式能比较好地反映梁的自振频率随预应力增加而增加的变化趋势，计算的结果与试验数据吻合较好，前二阶频率的计算具有较高的精度。在进行全预应力混凝土梁自振频率的研究中，将混凝土材料看作各向异性复合材料进行分析是可行的。     

悬索桥并列双吊索整体风振特性与气动阻尼研究

通过并列耦合双吊索节段模型的整体测振与测力风洞试验,研究不同间距下双吊索的整体振动行为与气动阻尼特性。引入驰振气动阻尼非线性项的动力方程模型,得到非线性振动的近似解析方法。基于弹性悬挂节段模型动力响应识别出驰振非线性气动参数,并与经典单自由度驰振理论结果进行对比分析。研究结果表明:并列耦合双吊索在一定工况下会发生剧烈的整体尾流致振现象,结构阻尼比对其起振风速影响明显;经典驰振理论求得的气动负阻尼绝对值要小于识别得到的气动负阻尼绝对值,横、顺风向两自由度耦合失稳较单自由度驰振更易发生。     

大跨度板桁加劲梁桥简化建模方法研究

大跨度板桁加劲梁桥的抗风研究需建立全桥模型分析桥梁的动力特性,针对全桥精细化有限元模型单元数多,计算费时等特点,基于桁架和正交异性板的连续化等效板厚公式,将板桁加劲梁的正交异性板简化为桁架,使其成为空间桁架结构。为了保证空间桁架的力学性能与板桁加劲梁等效,分别确定桁架各杆件的截面特性,形成新的简化建模方法。最后以主跨跨径为1 386 m的某板桁加劲梁悬索桥为例,分别建立精细化模型和简化模型,通过分析动力特性对简化建模方法进行验证。结果表明:精细化模型与简化模型的自振频率吻合良好,简化建模方法能满足动力特性的分析要求。     

高速行车时多塔斜拉桥动力性能研究

以某三塔斜拉桥设计方案为背景,通过数值计算分析,研究高速磁浮列车通过多塔斜拉桥时的结构动力性能。研究表明,三塔斜拉桥由于一阶竖弯振型的反对称性,在列车荷载作用下其行车方向的第二主跨易发生二次激振现象,使该跨的动力响应大于第一主跨,且桥梁竖弯基频越低,二次激振效应愈明显。为了降低桥梁过大的动力响应,提出几种加劲措施,分析表明,采用钢桁架加劲方案能大幅度提高桥梁的整体刚度,极大地改善其力学性能;采用中塔塔梁固结、边塔漂浮的结构体系对桥梁整体刚度的提高较为明显,适于多跨长联多塔斜拉桥。