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.     

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。     

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

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

超高水压越江海长大盾构隧道工程安全

随着中国交通建设和城市建设的迅猛发展,越江跨海盾构隧道工程大量增加,而且工程规模(隧道的直径和长度等)和水压条件也在增加。现阶段,仍未明确定义高水压,但一般以0.5 MPa作为高水压的分界线。近期,中国在长江、黄河以及珠江等所建设的高铁、公路以及地铁等盾构隧道工程水压均超过了0.5 MPa,正在筹划建设的琼州海峡隧道等水压更大,将高达2.0 MPa,面临巨大挑战。为此,国家决定针对超高水压(2.0 MPa)越江海长大盾构隧道工程安全问题展开“九七三”计划基础研究。研究采用理论分析、物理试验(室内、室外试验和模型试验)、数值模拟分析和监控测量等多种手段,针对其中涉及的多元、多相和多场耦合物理本质,对高水压水土与结构静动相互作用机理、盾构掘进中的动静力学机理、隧道结构特性及防水特性动态演化机理等核心问题进行深入系统的基础研究,提出了高水压下考虑渗流条件下的水土荷载计算理论和深水盾构隧道地震分析方法,建立了“机-土”动态作用力学模型,提出了盾构姿态、刀具磨损、开挖面稳定和高压成膜及闭气控制方法,提出了高水压大直径盾构隧道衬砌结构设计理论和高水压盾构隧道接缝长期防水安全与监控技术,最终形成超高水压越江海长大盾构隧道工程安全控制理论体系。为确保超高水压越江海长大盾构隧道工程安全提供设计理论依据,为实现大直径泥水盾构在超高水压等复杂条件下安全长距离施工提供理论支持。     

沉管隧道变截面管段浮运水流力及系缆桩可靠性分析

为探索沉管隧道变截面管段浮运过程的水流力与系缆桩可靠性,以广州洲头咀沉管隧道为依托,借助CFD软件建立流体动力学模型,计算管段横向浮运所受的水流力并探讨规范水流力公式的适用性;以此为基础,利用ANSYS开展管段浮运系缆桩可靠性分析。研究表明： 1) 规范水流力公式具备一定的适用性,采用结构形式为矩形梁时对应的水流阻力系数会导致与数值计算结果存在不容忽视的差别,通过CFD计算结果修正后两者吻合较好; 2) 系缆桩处于弹性受力状态,刚度与强度均未被削弱,设计方案可满足浮运安全要求; 3) 钢丝绳拉力作用下管段结构混凝土处于带裂缝工作状态,需基于计算结果对系缆桩预埋件锚固区做局部加强以抑制裂缝发展。