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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

波流作用下张力腿悬浮隧道的响应分析

悬浮隧道是直接在水中穿行的一种新型隧道,靠张力腿、锚链等支撑系统固定在水下一定深度.由于它直接处于波流作用的自然环境中,因此研究悬浮隧道的响应就成为设计工作中最重要的课题.该文将悬浮隧道和支撑结构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,对悬浮隧道在波流作用下的响应及支撑所受应力进行了计算分析.并讨论了环境因素对隧道响应及支撑所受应力的影响.     

波浪作用下椭圆形横截面悬浮隧道管段压强特性试验

为研究悬浮隧道在波浪力作用下的波动特性,以琼州海峡跨海通道工程为背景,设计一种双向6车道悬浮隧道交通结构,开展9种不同工况下模型比尺为1∶[KG-*2]60的水力物理模型试验,分析悬浮隧道结构在不同波浪高度、不同波浪周期下的迎浪面、背浪面和上下表面的压强变化特性。首先,根据悬浮隧道管段迎浪面、背浪面和上下表面波峰、波谷时刻的压强包络线分布规律,发现管段垂向压强差值显著大于水平向。然后,比较周期和波高变化对压强极值的影响,在相同周期下,管段表面压强极值随波高的增大而增大; 在相同波高下,压强极值随周期的增大而减小。最后,在一个波浪周期内,悬浮隧道结构出现了多个局部峰值,在不同波高下,峰值次数随周期的增大而规律增加。研究表明： 波高是影响结构稳定的主要因素之一,并应重点关注短周期波浪对结构的稳定影响以及结构的垂向受力变化。     

波浪作用下悬浮隧道结构非线性动力分析

考虑流体一结构耦联效应，利用非线性波浪力计算方法，建立了悬浮隧道结构非线性动力分析模型，并用ANSYS有限元软件实现了求解。通过两种计算模型的悬浮隧道结构动力响应分析对比表明：小位移情况下，两种模型计算得到悬浮隧道结构动力响应值差别较小；大位移情况下应采用非线性模型，采用线性计算模型得到悬浮隧道结构动力响应值出现较大偏差；悬浮隧道单跨长度以小于200m为宜。     

悬浮隧道

悬浮隧道是在水中穿越江河湖海的新型构筑物,具有隧道和海洋结构的双重特性。介绍了悬浮隧道的概念和特点、研究历史及在动力分析方面的研究概况。     

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。     

浅埋双洞错距山岭隧道洞口段地震响应试验研究

由于岩土非线性本构模型以及地震动力方程的复杂性,采用数值模拟或解析法分析隧道抗震性能均存在一定不足,因此模型试验仍是当前研究隧道抗震的有效途径。以强震区勒不果喇吉隧道为原型,设计相似比为1∶30,以河砂、机油与粉煤灰热融混合料作为围岩的相似材料,以石膏作为隧道衬砌相似材料,在隧道模型衬砌内外侧对称粘贴应变片以监测应变应力值,同时在隧道模型及振动台上安设结构加速度计来反演模型围岩的地震响应,采用大型振动台模型试验研究浅埋错距双洞隧道洞口段震害特征与工程减震措施。结果表明:隧道模型围岩对输入地震波有较明显的扩大效应,其频率谱也发生了改变,15 Hz以下频段的地震波得到了强化而其余频段发生衰减;岩土体对隧道结构的约束作用减轻了隧道结构的地震响应,按照模型试验相似比换算,可以将45 m作为隧道洞口段抗震设防长度;隧道墙角位置与仰坡拱肩45°角处为山岭隧道洞口抗震的薄弱环节;洞口段错距部位的震害要比其他部位更加严重,设计中可以考虑在错距部位适当增加岩土体积,以增强该部位的岩土约束作用;地震波作用下浅埋双洞错距山岭隧道地下结构之间存在较强的动力相互作用;在隧道结构周围设置大阻尼结构减震层可以有效降低隧道洞口的地震响应,减弱衬砌应变损伤。     

防船撞装置对桥梁下部结构波浪荷载的影响研究

以跨海航道桥梁安全为背景,研究防船撞装置对桥梁下部结构波浪荷载的影响.首先总结了目前工程中常用的桥梁下部结构波浪荷载计算方法,包括理论计算、模型试验和数值模拟,然后以岱山县鱼山大桥工程为背景,利用FLUENT软件对其主桥过渡墩及引桥独柱墩进行水动力计算,得到施加有防船撞装置后结构波浪荷载的变化.研究结果表明,对于复杂工...     

浅埋偏压隧道地震动力特性及稳定性分析

基于土-结构相互作用模型．利用粘-弹性边界条件,运用时程分析方法研究浅埋偏压隧道在水平地震、垂直地震以及45°方向作用下的全时程动力反应规律。对围岩和衬砌受力、注浆锚固范围等隧道工程特性进行分析研究,以期为浅埋偏压隧道抗减震设计提供一定参考.     

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。     

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.