波流作用下悬浮隧道动态响应的分析估算

研究目的:悬浮隧道是一种新型水下隧道,由于它长期处于波流作用的环境中,因此研究悬浮隧道在波流作用下的动态响应,是工程设计中不能回避的问题。然而分析波流与悬浮隧道的相互作用,其过程非常复杂,因此寻求一种简捷实用的动态响应估算方法很有必要。研究方法:本文将支撑结构之间的一段悬浮隧道简化为简支梁,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动态响应进行了分析估算。研究结果:1阶模态对隧道的响应位移影响最大;当波浪频率与隧道1阶固有频率相等而发生首阶谐振时,隧道1阶模态响应幅值大幅增加。研究结论:隧道断面形式、支承跨度及隧道放置深度对隧道的动态响应有显著影响。     

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.     

洋流作用下悬浮隧道的混沌行为分析

在考虑悬浮隧道结构非线性的基础上,得到管段横向振动微分方程。采用Melnikov函数分析水下悬浮隧道在洋流涡激振动状况下的混沌行为,得到结构发生混沌运动的判据。分析表明,发生涡激共振和非共振两种情况下的判据并不相同。对悬浮隧道进行数值模拟,当仅以速度作为控制参数时,悬浮隧道随着洋流速度的增加可以是拟周期运动和混沌运动,并给出算例发生混沌运动时涡激共振和非共振两种情况的临界速度。     

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。     

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.     

水中悬浮隧道合理截面数值模拟分析

为研究悬浮隧道的合理截面形式,采用大涡模拟法,按日本喷火湾海况条件分析了圆形、椭圆形、耳形、六边形和矩形5种截面悬浮隧道周向稳态压强分布、所受到的流体升力和阻力;以圆形断面为例模拟分析不同来流速度时悬浮隧道周围的水动力特性,以耳形断面为例分析不同迎流面宽度时悬浮隧道周围的水动力特性.模拟结果表明:耳形截面形式悬浮隧道周围压力大,稳定性好,所受升力和阻力较小,是最合理的截面形式;随来流速度的增加,悬浮隧道周围压力显著增加,升力和阻力急剧增加;迎流面宽度对悬浮隧道周围压力场分布影响很小,对结构升力和阻力影响明显.     

2种磁轨关系的磁浮车桥相互作用比较分析

为准确研究磁浮车桥相互作用,比较2种磁轨关系对磁浮车桥相互作用的影响,对磁轨关系采用弹簧阻尼法和悬浮控制法进行处理,分析2种磁轨关系力学特性,建立磁浮车桥耦合动力学模型,分析车桥作用时2种磁轨关系作用下桥梁振动、车辆支撑力/悬浮力、悬浮电磁铁振动及车速对车辆振动的影响。仿真分析发现,悬浮控制法车桥作用比弹簧阻尼法作用略小;悬浮控制系统具有主动调节能力,悬浮控制法的车辆悬浮力具有周期性,车辆驶出桥梁后悬浮控制法车辆的悬浮力、车辆振动较快保持稳定状态且振动加速度较小,而弹簧阻尼法的车辆支撑力没有明显周期性,且车辆支撑力、车辆振动出现较大振荡;悬浮控制法的车辆具有更强的稳定性,车速对悬浮控制法车辆振动影响较小,随着车速增大2种车辆振动加速度均呈增大的趋势,相同车速条件下悬浮控制法的车辆振动加速度均小于弹簧阻尼法的加速度。     

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。     

不同磁轨关系对中低速磁浮车辆垂向动力学性能的影响

为分析中低速磁浮车辆在直线段上2种不同磁轨关系的动力学性能的差异,分别采用弹簧阻尼法和悬浮控制法建立磁轨关系模型,分析2种磁轨关系力学特性,对采用PID控制的悬浮控制法的悬浮刚度和阻尼进行等效处理,并转换成弹簧阻尼法中的线性刚度和阻尼。通过仿真分析发现:2种模型在直线段的垂向平稳性、车体和构架的垂向加速度相差很小,有相近的计算精度;悬浮力最大值和3б统计值相差很小,均不超过0.2kN。因此,在计算中低速磁浮车辆直线动力学性能时,弹簧阻尼模型可以替代悬浮控制模型。     

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。     

黏弹阻尼道床阻尼厚度对隧道及地表振动衰减特性的模拟研究

为探究黏弹阻尼道床阻尼厚度对隧道及地表振动衰减特性的影响,为工程设计提供理论支持。利用ANSYS建立土体-隧道-道床平面有限元模型,分析在5～25 Hz频率荷载的作用下,整体道床和黏弹阻尼道床在隧道结构中的振动响应,并分析这两种道床下地表距离隧道中心线不同距离的振动加速度的衰减特性。结果表明:荷载频率小于10 Hz时,在地表距离隧道中心25 m左右,振动有明显的放大区域;荷载频率为10～20 Hz,振动加速度随道床阻尼层厚度降低,阻尼层越厚振动衰减越明显;随着黏弹阻尼道床阻尼层厚度增加,隧道衬砌底部振动加速度有效值依次降低,隧道壁竖直方向振动衰减更加明显,阻尼层每增加2 mm,振级降低1～4 d B。     

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。     

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...     

下穿隧道爆破施工对既有隧道的振动影响及对策研究

依托云南省盐津县白水江三级电站引水隧洞下穿内昆铁路手扒岩隧道的工程实际,采用LS-DYNA显式动力数值模拟及现场爆破振动监测,对既有隧道受下穿新建隧道爆破施工产生的振动影响和对策进行研究。结果表明:全断面起爆中,D(D为下穿新建隧道洞径,下同)<2.5D0(D0为基准洞径)时,既有隧道的振动速度、振动加速度均随D的增大而增加,且基本呈线性关系;2.5D0≤D<3.5D0时,振动速度及加速度均急剧增大;D≥3.5D0时,振动速度、加速度随D的增加而减小。随两隧道间距的增加,既有隧道考察点的振动速度和加速度均减小;在距离相等时,掌子面未到达前的振动响应大于掌子面离开后的响应;相同爆破参数时,距离越远,受到的振动越小;同时起爆药量越大,受到的振动越大。随围岩的变差,既有隧道处的振动速度增大,振动加速度变化较小。根据不同影响因素与振动速度关系的规律,推导了包含隧道开挖洞径、进尺长度、上下交叉隧道净距、单位药量等参数的隧道开挖爆破振动速度计算公式,并由现场爆破振动监测验证了数值模拟的正确性。同时,针对不同影响因素,提出分部开挖、分段起爆、干扰减振等减小爆破振动影响的对策措施及选择原则,并指出爆破试验及爆破振动监测在近接隧道工程中的重要性和可操作性。     

不同时速下地铁多种轨道结构现场测试与分析

近年来地铁振动污染问题日益突出,地铁中亦采用多种减振轨道结构型式用于减振。为详细评价各种减振轨道结构的减振效果,以地铁动力测试为依托,在频域内分析4种轨道结构各测试断面在不同时速下的振动特征。结果表明:对于长枕埋入式整体道床轨道而言,行车速度的增加对钢轨、道床、隧道竖向加速度低频范围内的影响较大,而在中高频影响较小。对于GJ-Ⅲ型中等减振扣件轨道,随着行车速度的增加,GJ-Ⅲ型中等减振扣件轨道减振效果下降较明显。同时随着行车速度的提高,橡胶隔振垫浮置板轨道仅对浮置板和隧道减振效果较稳定,而钢弹簧浮置板轨道对钢轨、浮置板及隧道减振效果都很稳定。     

水害条件下弹性道床垫减振轨道的性能研究

为研究弹性道床垫减振轨道在隧道遇水不利情况下的耐久性及稳定性,通过设计室内原型试验,测试分析泡水疲劳前后轨道结构部件的性能变化,并基于试验结果和轮轨系统动力学理论,分析泡水疲劳前后弹性道床垫减振轨道的减振性能变化规律。研究结果表明:(1)疲劳后轨道结构各部件功能保持稳定,该减振轨道具有良好的耐久性;(2)泡水疲劳试验前后,扣件系统的刚度变化率为1.40%,道床垫刚度变化率为5.95%;(3)弹性道床垫减振轨道具有稳定良好的减振性能,相比普通整体道床轨道结构,能够有效降低车体、轮对及钢轨在中心频率为40~60 Hz区间内的振动加速度级。     

城市轨道交通地下线振动环境影响分析

采用城市轨道交通环境影响评价中的振动预测方法,通过北京、上海、广州10条运营线路的环保验收调查报告和轨道减振性能测试评估报告提供的实测数据和预测结果进行对比分析,结果表明:在一定的车速、埋深及区段等工程条件下,若按交通干线两侧昼、夜间振动限值标准进行评价,地下线的环境振动影响范围约20 m。地下线的振动影响主要取决于线路的线型、埋深,尤其与敏感点的距离、运行速度关系较大。地铁隧道上方5 m以内的建筑,环境振动无明显变化;5～20 m振动级衰减比较明显。正线区间比车场线及出、入段线敏感点的振动级高4～6 dB;出段线比入段线敏感点的振动级高2 dB左右。建议根据振动影响范围,做好轨道交通及其沿线用地规划。地下线路应合理选线,尤其要避免下穿环境敏感建筑;沿线规划控制应预留振动防护距离,在防护范围内不宜新建敏感建筑;对特殊敏感区段,可以考虑在夜间时段采取限速的措施。