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。     

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。     

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。     

埋置式波纹钢-混凝土受力特性及地震动响应研究

埋置式波纹钢-混凝土结构多用于公路明挖隧道和棚洞，但目前对该类结构的研究较少。以某绕城高速公路为例，针对在高填方填土荷载及地震动力荷载作用下，研究明挖隧道中使用波纹钢-混凝土结构作为顶棚的安全性及其地震动力响应规律。研究表明：1)在填土及地震动力荷载作用下，波纹钢-混凝土结构具有良好的整体受力性能，其挠度与应力均满足静力荷载下的安全要求；2)在选用的卧龙波作用下，波纹钢-混凝土结构在左侧拱肩处位移响应最大，在左侧拱肩至拱顶处应力与加速度响应最大；3)结构不同波峰、波谷、波中截面的地震动力响应差异不大。     

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。     

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.     

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。     

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.     

钢网面板加筋土挡墙动力特性试验的变形研究

基于泥质红砂岩粗粒土填料，采用MTS分别模拟地震荷载、交通荷载、加-卸载多循环荷载进行大尺寸模型试验，研究了钢网面板土工格栅加筋土挡墙在上述荷载作用下的动力特性，获得了不同峰值的水平地震激励下模型挡墙不同位置的水平动位移、竖向动位移峰值响应等实测值；采用不同频率、不同幅值的竖向交通荷载正交试验法，获得了该模型挡墙在重复荷载作用下的最大水平变形、最大沉降量及位置等动力特性参数值；通过7种荷载、21组加卸载循环试验，获得了加一卸载多循环荷载作用下的实测沉降值。试验结果表明：该加筋结构具有整体变形的特性，是优良的抗震结构，能承受抗震设防烈度为9度的地震荷载；同时该加筋结构具有良好的稳定性和抗破坏性，重复荷载的幅值和振动次数对结构动力变形特性的影响较大，而振动频率对变形特性的影响不显著；多循环荷载作用下该加筋结构能够明显减小不均匀沉降。过长的筋材并不能明显地改善加筋土挡墙的动力特性。     

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。     

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。     

重载列车对隧道裂损衬砌承载性能的影响研究

为定量分析重载列车动载作用下隧道裂损衬砌裂缝的演化机制和承载性能的变化规律，采用扩展有限元与直接循环法相结合的方法模拟裂缝在列车荷载作用下的扩展路径，并通过模型试验对方法的有效性和准确性进行验证。模型试验与数值模拟的误差仅为3.7%，表明该数值模拟方法较为精确。研究发现： 1）在重载列车动载作用下，裂损衬砌仰拱处的动力响应相较于衬砌其他位置会更为剧烈，裂损衬砌仰拱处的安全系数与衬砌其他位置相比则更小，因此裂损衬砌仰拱位置为重载列车动载下的危险部位； 2）重载列车轴重对裂损隧道衬砌的动力响应影响比初始裂缝深度及车速对裂损隧道衬砌的动力响应影响更为明显，而裂损衬砌的安全性能受初始裂缝深度影响比受轴重及车速影响更为显著。     

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。     

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。     

狮子洋隧道洞口列车振动流固耦合分析

根据车辆-轨道耦合模型，采用弹性地基梁板模型，得到列车轨下激振力。按广深港高速铁路狮子洋盾构隧道洞口资料，建立精细的三维数值模型，通过FLAC3D软件对列车荷载引发的隧道动力响应进行了数值模拟，分析了列车振动作用下狮子洋隧道洞口水-土耦合规律。结果表明:在列车振动荷载作用下，孔隙水压力增长区域位于隧道周边的一定范围，主要分布在隧道底部地层, 在左右两隧道之间的隧道下方地层，超孔隙水压力值最大；地层受振位移响应等值线呈倒钟状分布，隧道上方影响范围大，且衰减缓慢，隧道下方影响范围小，且衰减迅速；管片左侧近域地层位移响应最大，列车振动对相邻隧道附近地层的影响不明显，其位移值远远小于左侧的地层位移。     

大跨径钢箱梁桥面铺装动力响应分析

为了分析钢桥面铺装在动荷载作用下的力学变化规律，针对现有铺装层常见的脱层、滑移、开裂等破坏形式，研究了行车荷载的动力特性与形式，将车轮荷载模拟为移动恒载，选取了6种铺装结构和3种力学控制指标，建立了钢桥面铺装体系三维有限元模型，研究了在动荷载作用下铺装的动力响应，并与静力计算结果进行了对比，给出了最优的铺装结构形式。分析表明，钢桥面铺装的动力响应与静力响应有较大的不同；在动力荷载下，铺装层最不利受力荷位是横隔板跨中位置；铺装层最不利点位受拉情况类似于承受半正矢波荷载；静力分析在对层间剪应力计算时误差很大，在动力荷载作用下，铺装与钢板间会产生很大的层间剪应力，这是导致铺装出现脱层、滑移等病害的主要原因。     

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。     

双层盾构隧道内部荷载模式对衬砌力学性能影响分析

针对双层结构内部荷载对管片结构的响应方式和设计上如何考虑的问题，将常见的内部荷载模式分为立柱-板、立柱-梁及连续墙-板等3种，并借助梁弹簧模型研究不同工况下3种荷载模式的响应规律。结果表明，立柱-板与立柱-梁荷载模式会导致在衬砌的对应位置出现局部应力集中，采用连续墙-板荷载模式会使内部荷载对结构影响相对较小，并能避免应力集中现象；衬砌厚度增加可以减小内荷载对衬砌整体受力影响，但也可能导致隧道张开量超出限值，影响防渗性能；衬砌外径较大或浅覆土工况下会加大内荷载影响，对衬砌受力造成不利影响。