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。     

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。     

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。     

水中悬浮隧道概念设计及动力分析理论与模型试验进展

为了解水中悬浮隧道工程概念设计进展,进一步明确环境荷载和水中悬浮隧道(submerged floating tunnel,简称SFT)结构相互作用的动力模拟分析和模型试验研究方向,首先综述各国在SFT领域的工程研究概况,然后分别对SFT的管段、锚索动力模拟和波浪、洋流模型试验进展进行总结。结果表明： SFT的关键参量“协同浮重比”涵盖了结构张力腿锚索布置形式、倾角和浮重比与SFT水平、竖向振幅间的相互作用关系。考察综合性参量有助于研究结构自振频率、支撑系统张力水平的归一化变化规律。深水大型波浪流水池中波流耦合、流固耦合以及动水与静水结合的SFT模型试验是未来的研究方向。     

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。     

高速铁路隧道结构动力累积损伤模型试验研究

为探讨高速铁路隧道衬砌结构在列车振动荷载长期作用下的动力累积损伤特征,阐述混凝土结构动力相似材料模型试验原理,以武广高速铁路金沙洲隧道为原型,利用微粒混凝土作为相似材料,构建隧道与围岩动力相互作用全断面试验模型,施加高速列车振动荷载对相似材料模型进行动力累积损伤试验;试验过程中同步测试隧道衬砌结构各特征点动应变、超声波速度以及隧道底部围岩接触应力的时程响应数据,分析隧道衬砌结构动力响应特征与累积损伤规律。得出了在设计使用寿命期内,高速列车振动荷载长期作用下,隧道衬砌结构动力累积损伤效应不明显,而隧道底部围岩累积损伤破坏则应引起足够重视等研究结论。     

车辆荷载作用下超大断面双层隧道动力响应分析

针对温州大罗山隧道大断面双层结构力学复杂的特点,建立三维隧道数值分析模型,分析运营期车辆荷载作用下隧道结构的动力响应。结果表明,车辆荷载作用下,位移变化由大到小依次为车道、衬砌、围岩;位移响应达到峰值后逐渐衰减,直到荷载作用周期结束,并产生位移残余;加速度响应随着隧道轴线方向距离的增加而不断衰减,仅在出口段有所增加。     

双管悬浮隧道在不同锚泊方式下水动力响应研究

为了增强对双管悬浮隧道水动力特性的了解，探寻安全性高的锚泊系统，通过简化双管悬浮隧道结构，采用ANSYS建立双管悬浮隧道模型进行数值模拟。模拟的海洋环境为均匀流、规则波，以此分析了双管悬浮隧道管体结构在不同锚泊方式、不同浮重比、不同浸没水深、不同波高下横荡、垂荡和横摇的运动响应及锚索受力的情况。研究表明：1)锚泊方式1的抑振能力最差，且锚索力最大，安全性最差；2)锚泊方式2在垂荡方向上表现出较好的抑振能力，且锚索力比锚泊方式1小；3)锚泊方式3在横荡，纵荡，横摇运动响应以及锚索力方面表现均佳，安全性更好。     

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.     

移动荷载作用下悬浮隧道冲击系数影响因素研究

悬浮隧道是跨越水域的一种结构形式,不影响航运,可以全天候运营。主要展开了悬浮隧道车隧振动及冲击系数影响因素研究。选择了重力浮力比值、布索形式、锚索长度、荷载移动速度作为影响因素,建立了有限元模型展开车隧振动模拟。结果表明重浮比对自振频率与冲击系数的影响最大,荷载移动速度次之,布索形式和锚索长度产生的影响很小。随着重浮比的增大,结构自振频率与冲击系数减小,呈线性规律;随着荷载移动速度的增加,冲击系数非线性增加;水环境对分析结果影响很小。基于上述研究,通过引入悬浮隧道重浮比,在最后给出了不同荷载移速下悬浮隧道冲击系数计算公式。     

交通荷载对底部隐伏溶洞的动力响应分析

隧道底部存在隐伏溶洞对隧道施工和运营都有较大影响,可能造成围岩失稳和路面塌陷。文中运用MIDAS-NX建立数值计算模型,分析张桑(张家界—桑植)高速公路白龙庵隧道运营过程中受到交通荷载作用时底部隐伏溶洞的动力响应及对隧道结构稳定性的影响,并与静力响应进行对比,为岩溶隧道设计、施工提供借鉴。     

长距离复杂水域环境中内河沉管隧道管节浮运风险分析及应对措施

内河沉管隧道管节在长距离复杂水域环境中浮运时,浮运线路构筑物和风险源多,水上交通和水情复杂,浮运风险较高。以南昌红谷隧道工程管节浮运为例,比较海口区域与内河沉管隧道管节浮运风险差异,采用风险矩阵法对管节浮运过程中出坞接拖、航道存在浅点、通过小跨径桥梁、急流区回旋、高流速区浮运等5种风险工况进行评估分级,预测红谷隧道管节首次浮运可能发生的高风险工况,总结红谷隧道管节首次浮运出现的风险和采取的应对措施,实现首节管节安全浮运,并为后续管节浮运提供借鉴。     

山岭隧道振动台模型试验研究的现状与展望

山岭隧道在地震作用下的动力响应与抗震性能,是近10年来国内外工程界及学术界的一个研究热点。采用振动台模型试验,直接模拟与再现地震作用下围岩与隧道结构的动力响应,是研究其动力特性和抗震性能的一种重要手段。针对山岭隧道的振动台模型试验研究,从对象与目的、相似理论、相似材料、模型制作、地震波选取等5个方面,系统地论述国内外山岭隧道振动台模型试验的研究现状,同时也对其今后的发展趋势进行了展望。     

沉管隧道管节结构耐火保护技术

本文通过对现有隧道结构防火技术进行了技术经济比较,依托构件与实体隧道火灾试验平台,开展了沉管隧道管节构件耐火保护试验,提出了港珠澳沉管隧道管节结构耐火保护技术建议方案。     

节段式沉管隧道抗震关键技术研究

首先分析了节段式沉管隧道地震响应受力特性,明确了结构动力响应的温度敏感性,指出管节及节段接头为抗震的薄弱部位及抗震关注重点;其次,在分析国内外沉管隧道抗震研究的基础上,分析了节段式沉管隧道抗震研究需要解决的关键技术,主要包括沉管隧道土与结构相互作用的动力计算方法、非一致地震激励下沉管隧道地震响应分析方法以及沉管隧道振动台试验模拟技术;最后总结了节段式沉管隧道的研究进展及主要成果。     

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.     

超大直径过江盾构隧道口字件不同连接型式地震响应特征研究

随着隧道设计施工技术的快速发展,水下超大直径盾构隧道在跨越江河中日益频繁.口字件在大直径公路盾构隧道断面结构采用较多,其具有施工速度快、充分利用断面空间资源等优点,一般采用预制装配式结构,与隧道管片的连接一般采用铰接或者刚接方式,在地震荷载作用下,口字件的不同连接方式对隧道断面结构的地震内力响应不同,为了对超大直径过江...     

交通荷载作用下富水地区衬砌隧道的振动分析

针对富水地区一般交通荷载作用下圆形衬砌隧道系统的动力响应问题,提出一种新方法进行研究。假定外围土体为饱和多孔介质,隧道衬砌视为Flügge薄壁圆柱壳。将非轴对称荷载、隧道系统的动力响应沿环向模态展成级数形式,通过引入势函数和利用傅里叶积分变换求解薄壁圆柱壳和土体的控制方程,根据边界条件和连续条件求得势函数当中的待定常数,那么频率—波数域内的动力响应即可获得。时空域内的响应只要利用双重傅里叶逆向变化就可得到。研究的结果说明这种方法可有效求解非轴对称交通荷载作用下饱和土中隧道系统的动力响应;荷载速度和初始频率对隧道系统的动力响应均有较大影响。     

黄土公路隧道衬砌断面型式的仿真分析

通过数值仿真,分析了单心圆、尖三心圆、坦三心圆3种隧道衬砌结构型式的结构各部分的力学性状,比较了各衬砌断面型式的优缺点,经综合比较,给出了较为合理的黄土公路隧道的衬砌断面型式。研究结论可为今后合理地设计隧道衬砌结构提供可靠的依据。     

悬浮隧道整体冲击响应模拟方法及试验验证

为研究水下悬浮隧道管体在冲击荷载下的整体动力响应,提出对应的简化模拟方法,在有限元软件ABAQUS中结合自定义幅值（UAMP）子程序进行了冲击荷载作用下考虑流体作用的悬浮隧道整体响应分析。基于Morison方程,将流体作用分为非线性阻力和附加质量力。首先,以分段线荷载的形式表示流体阻力沿管体纵向的不均匀分布。在UAMP子程序中采用FORTRAN语言编写与管体运动速度相关的流体阻力幅值计算程序。通过在ABAQUS与UAMP子程序之间管体运动速度和流体阻力幅值的交互传递,实现了荷载大小同时随时间和空间变化的非线性流体阻力加载。其次,考虑与管体加速度相关的流体附加质量力,其幅值在ABAQUS中通过定义浸没式截面自动计算。最后,进行悬浮隧道整体模型冲击试验,采用提出的模拟方法对试验典型工况进行分析,并将计算结果与试验实测值进行对比。结果表明：提出的建模方法能较好反映悬浮隧道结构动力特性;随着冲击强度的增大,冲击点处管体最大位移和加速度增大,且峰值均出现在第1个运动周期内;采用简化模拟方法分析所得的管体位移和加速度响应与试验结果基本一致;该模拟方法的计算精度与流体阻力分段线荷载的分段长度有关,当分段长度小于管体总长的1/20时,分析结果趋于稳定。因此,基于UAMP子程序的流体作用的简化数值模拟方法能较好地用于悬浮隧道整体冲击响应分析,误差在工程允许范围内。