水下悬浮隧道波流荷载分析研究

悬浮隧道作为悬浮在水中的结构物,波浪、海流荷载必将是影响悬浮隧道结构稳定性的常规荷载。由于悬浮隧道在空间结构上为细长结构物,利用Morison方程计算结构所受到的波流力,分析了悬浮隧道结构所受波流荷载随悬浮深度、海水深度、海流速度以及管段截面尺寸等因素的变化规律。     

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。     

海域低渗透性土层盾构隧道外荷载特征

选取珠海横琴马骝洲西线隧道WK2+600断面为监测断面,对潮汐作用下盾构管片结构上的外荷载进行跟踪测试。测试结果表明:当隧道埋深大于波浪作用下超孔隙水压力的影响深度时,孔隙水压力不受波浪周期的影响,潮汐荷载通过静水压力的形式作用于衬砌结构上;隧道贯通后的水压力低于理论静水压力;对于修建在低渗透性地层中的水下隧道,若外水压力取全水头则结构设计偏向于安全。围岩压力的变化与水位的变化密切相关,并且受波浪周期的影响;隧道外荷载通过土压力波动的形式响应波浪荷载。     

波流作用下悬浮隧道荷载研究

考虑波流之间的相互影响,采用改进的Morison方程,分析了SFT的最大波流力与水流速度、悬浮隧道直径、悬浮深度、水深和波流夹角之间的关系.分析得出:无量纲参数后D一定时,最大波流力随水流速先减小后增加,随SFT直径的增加而增加,随悬浮深度和水深增加而减小;来流速度、SFT直径和悬浮深度是影响悬浮隧道波流荷载的主控因素,波流夹角和水深对悬浮隧道波流荷载影响相对较小.     

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。     

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.     

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.     

交通荷载作用下水中悬浮隧道动力响应分析

采用移动振动荷载模拟悬浮隧道中的交通荷载,并结合数值模拟分析和正交试验,分析了各计算参数对悬浮隧道跨中竖向振动位移的影响。数值计算结果表明,车辆轮载、路面不平度、行驶速度的变化对跨中竖向振动位移影响较小,但波流作用的影响较大;正交试验结果表明,各因素对跨中竖向振动位移的影响程度从大到小依次为波流作用、车辆轮载、路面不平度、行驶速度,与数值计算结果一致。     

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.     

波流作用下悬浮隧道的涡激动力响应

将单跨悬浮隧道简化成简支梁,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涡激动力响应进行了计算,分析了隧道断面形式、尺寸及放置深度对悬浮隧道涡激谐振的影响。     

大跨度钢管混凝土拱桥地震响应分析

采用大型通用有限元前后处理软件MSC Patran建立大跨度铁路钢管混凝土拱桥的有限元模型.根据地震响应分析输入地震波的选择原则及桥址地震烈度,选用经过加速度幅值调整的EL-Centro地震波作为输入地震波,进行大跨度铁路钢管混凝土拱桥在水平地震波、三向地震波、一致激励和多点激励下结构的地震响应分析.分析结果表明:结构在水平地震波和三向地震波作用以及在一致激励和多点激励作用的地震响应差别很大,且没有简单明确的变化规律,因此必须采用同时考虑三向地震波和多点激励共同作用的动态时程分析法才能较真实的反应结构在地震作用下的实际受力状态和变形性能.     

加载波形对LZ50车轴钢疲劳裂纹扩展行为的影响

在三角波、正弦波、方波3种加载波形下对LZ50车轴钢紧凑拉伸试样开展疲劳裂纹扩展试验,采用扫描电镜观察断口形貌,并结合试验数据分析加载波形对裂纹尺寸增量和扩展速率的影响。结果显示:加载频率较高时,疲劳裂纹扩展行为对波形的敏感性较低,断口形貌基本相同;加载频率较低时,波形对疲劳裂纹扩展行为的影响增大,断口形貌出现差异;稳态扩展区以疲劳条带为主要扩展机制,三角波加载下的疲劳条带间距明显小于其他2种波形,其失稳扩展区形貌以韧窝为主,且韧窝较其他2种波形下的小且浅。同时,基于LS-DYNA软件和节点位移外推法对CT试样在3种加载波形下的应力强度因子进行计算和分析。结果表明:仿真分析波形对疲劳裂纹扩展的影响机制与试验结果基本一致。     

深长桩基础施工期岩溶处置实时效果无损检测方法研究

在理论分析基础上,结合京沪高速铁路桥桩基础岩溶处置工程,开展检测分析桥桩桩孔施工过程中冲击破岩地震波传播特征现场试验;研究岩溶空洞及其充填处置后不同地震波传播特征;明确岩溶及其处置效果典型特征。在相同试验点进行地震反射探测岩溶及其处置后状态试验,并在地表已知覆盖型岩溶地区进行地震反应特征试验。在3类测试试验基础上,处理试验数据,从反射波信号特征、同相轴等方面,总结典型岩溶及其处置后地震波现场实时无损检测方法与判别特征。     

跨海大桥小尺度下部结构非线性波浪荷载分析

为研究跨海大桥桩基、桥墩等小尺度下部结构波浪荷载的非线性特性,以平潭海峡大桥N01号桥墩为例,采用不可压缩流体的N-S方程以及VOF自由液面追踪法,通过FLUENT实现非线性波的二维数值模拟,进而分析非线性波浪速度场和波面变化的特点,并通过Morison方程对比桥墩和单桩在线性波和非线性波下波浪荷载的差异,同时,为进一步研究浅水区非线性波浪特点,对不同直径下桥墩非线性波浪荷载的影响进行研究。研究表明:对于深水区的单桩,非线性波的非线性作用不明显;对于浅水区的桥墩,非线性波与线性波波浪力差异有14%,非线性作用较为显著;随着直径的增加,桥墩发生非线性波浪力峰值滞后现象;在跨海大桥设计中,波浪荷载的非线性应予以重视。     

基于波面分解的跨海桥梁下部结构波浪荷载计算方法

为建立波面与结构波浪荷载之间的直接联系,提出一种基于波面分解的桥梁下部结构波浪荷载计算方法。通过傅里叶变换将波面时程分解为有限个线性规则波的叠加,根据线性波浪理论,将每个规则波的水质点速度、加速度组合叠加,得到波面对应的水质点速度和加速度分布,最后利用Morison方程计算波浪荷载。通过与既有波浪理论、水槽试验和数值模拟结果进行对比,验证了方法的有效性和准确性。研究结果表明:(1)当波高不大时,本文方法得到的水平速度和加速度与波浪理论值吻合良好;(2)基于水槽试验的波面分解,本文方法结果与流速仪实测结果在时域与频域均吻合良好;(3)以一个圆柱桥墩为例,本文方法比数值模拟计算效率高,墩底剪力、弯矩的误差分别为3%、8%左右。     

基于RANS的跨海桥梁高桩承台波浪作用数值模拟

极端波浪荷载给跨海桥梁带来了严峻的挑战,为了探究波浪对跨海桥梁高桩承台的冲击作用,基于雷诺时均Navier-Stokes方程(RANS)和k-ω湍流方程,建立波浪与高桩承台相互作用三维数值模型,采用流体体积法(VOF)捕捉自由液面,研究承台受到的水平及竖向波浪力时程特性、承台周围流场以及净空对波浪荷载的影响规律。研究结果表明:承台水平波浪力随着净空的减小而增大,水平正向波浪力大于水平负向波浪力;承台受到的竖向向上波浪力随着净空的增加先增大后减小,当净空为零时达到最大值。当净空大于零时,向上的波浪力大于向下的波浪力,而当净空小于零时,向上的波浪力小于向下的波浪力。     

基于半解析有限元法的钢轨导波适用模态研究

研究目的:为选择出适用于钢轨导波无损检测的优势模态,采用半解析有限元法并基于哈密顿原理建立钢轨导波传播的控制方程,求解0~100 k Hz频率范围内的钢轨导波频散特性曲线。通过建立有限元模型对钢轨低频范围内的振动模态进行分析,验证半解析有限元法的准确性。在此基础上,提出将有限元法与半解析有限元法相结合的方法,用以分类并追踪钢轨理想导波模态,并根据相应的振型对理想模态导波进行激励和验证。研究结论:(1)随着频率的增大,钢轨导波振动模态数目迅速增加,但频散效应呈减小趋势;(2)对于钢轨基本振动模态,其横截面变形由整体变形逐渐演化为局部变形,其中扭转振动模态适用于轨腰检测,横向弯曲振动模态及竖向弯曲振动模态适用于轨底缺陷的检测;(3)在理想导波模态最大变形位置处施加激励荷载可以成功地激励出理想的导波;(4)本研究结果可为导波传感器设计与优化以及检测试验提供理论参考。