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.     

组合滑动边界下悬浮隧道锚索涡激振动的稳定性分析

为了分析组合滑动边界下悬浮隧道锚索在均匀流作用时涡激振动的稳定性问题,建立了锚索的涡激振动方程并用伽辽金法对其进行简化,运用Lyapunov指数法判别了锚索涡激振动的稳定性,同时分析了锚索弯曲刚度、跨度、均匀流速和涡激频率对锚索涡激振动稳定性的影响。研究结果表明,随着均匀流速和锚索跨度的增加,锚索逐渐从稳定的状态转变到不稳定的状态;涡激振动下锚索是否会失稳不仅取决于均匀流速的大小,而且还取决于涡激频率和锚索固有频率之间的关系;当涡激频率与锚索一阶固有频率接近时,会发生涡激共振现象,锚索最容易失稳。     

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.     

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。     

串列双流线型断面涡激振动气动干扰试验

在均匀流场下,分别对不同间距比D/B、不同阻尼比条件下上、下游流线型断面涡激振动气动干扰进行了风洞试验研究,并将上、下游流线型断面涡激振动锁定区间、涡激振动振幅与单流线型断面进行了对比。结果表明:上、下游流线型断面涡激振动锁定区间不因D/B及阻尼比的影响而改变,上、下游流线型断面D/B和阻尼比对其涡激振动振幅有影响;上游断面涡激振动气动干扰效应主要受D/B的影响,当D/B≤3时,对上游断面涡激振动的干扰效应表现为增大效应;当D/B>3时,对上游断面涡激振动的干扰效应可忽略;下游断面涡激振动气动干扰效应主要受上游断面涡激振动振幅影响,当上游断面振幅较大时,其对下游断面干扰效应主要表现为抑制作用;当上游断面振幅较小时,其对下游断面干扰效应则表现为增大效应;随着双幅断面间距增加,干扰效应逐渐减弱。     

基于人体适应性的悬浮隧道抑振指标限值研究

为了能有效抑制波流耦合作用下悬浮隧道振动对人体适应性的影响,提出一种基于人体适应性的悬浮隧道振动指标限值获取方法。综合不同振动特性下人体适应性评估的经验、标准以及研究,提出悬浮隧道下人体适应性的加速度限值;同时通过数值仿真模拟悬浮隧道与人体振动特性,分析悬浮隧道振动条件下人体各部位受到加速度,并以人体加速度极限标准为基础,对悬浮隧道振动指标进行解析,提出抑振指标限值。结果表明：悬浮隧道下人体适应性的加速度为0.2 m/s²;人体仿真中腹部所受加速度最大,根据人体适应下的最大加速度,制定悬浮隧道不同振动频率与振幅人体适应性限值表,提出在保障人体适应基础上悬浮隧道允许的最大振动与振幅。该结果可为后续悬浮隧道实例工程抑振指标取值提供数据参考,保障悬浮隧道人员通行的适应性。     

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。     

不同尺度扁平箱梁节段模型涡激振动风洞试验

大跨度桥梁涡激振动振幅的判定,采用大尺度主梁节段模型风洞试验可得到更精细的结果。为分析模型尺度对试验结果的影响,通过对南京长江四桥主梁1∶50和1∶20两种几何尺度扁平箱梁节段模型的涡振试验,对比两者在涡振振幅、涡振风速、涡振区、St等方面的差异,并结合雷诺数效应、阻尼比、模型细部模拟等影响因素进行分析。得知模型几何尺度越大,Re和St越大,CD越小,涡振振幅越小;常规尺度模型细部模拟的误差可能会显著影响涡振振幅;Sc增大时,锁定状态下结构振幅减小,涡振区也随之变窄,但Sc增大并不改变St数。     

结构—尾流振子耦合模型参数识别及桥梁涡激振动预测

为准确预测桥梁涡激振动特征,基于结构尾流振子耦合模型涡激振动预测方法,分析其动力方程及近似解,针对目前结构—尾流振子耦合模型中较难确定的模型参数(质量参数M、流场“stall”效应参数y、结构对尾流作用的耦合项参数A和范德珀尔参数ε),提出了基于涡激振动风速～振幅曲线的模型参数识别方法.开展某主梁节段模型风洞试验,依据...     

大跨度悬索桥的多阶模态竖向涡振与控制

大跨度悬索桥具有多个竖向模态密集分布的特性。在常遇风速范围内,从低到高的各阶竖向模态随风速升高而逐个发生涡振,这就是大跨度悬索桥的多阶模态涡振问题。针对这一问题开展深入研究,讨论中国公路桥梁抗风设计规范中竖向涡振容许振幅的合理性;阐述了利用节段模型风洞试验和理论分析综合预测实桥多阶模态竖向涡振响应的基本方法,得到了各模态阻尼比相等时悬索桥各阶模态竖向涡振振幅基本相等的结论,并通过特殊设计的悬索桥竖向等效气弹模型和塔科马桥涡振实测资料,验证了这一结论;指出在既有桥梁上追加气动措施或安装调谐质量减振器抑制悬索桥多阶模态涡振都有很大的难度,进而提出了在加劲梁与桥塔之间安装直接耗能阻尼器的设想,并进行了气弹模型试验验证;讨论了采用电涡流阻尼器进行半主动涡振控制的可行性。研究结果表明：在相同阻尼比条件下大跨度悬索桥各阶竖弯模态的最大涡振振幅基本相等;依据最大加速度幅值按频率比的平方增加的原理,满足人体振动舒适性的高阶竖弯模态的容许振幅必然小于低阶模态,因此要更加重视起振风速在容许行车风速（25 m·s^-1）以内的高阶竖弯模态涡振;对于漂浮体系悬索桥,在加劲梁与对应桥塔之间设置阻尼器可有效抑制多阶模态涡振。     

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。     

Low-frequency vibration control of floating slab tracks using dynamic vibration absorbers

This study aims to effectively and robustly suppress the low-frequency vibrations of floating slab tracks (FSTs) using dynamic vibration absorbers (DVAs). First, the optimal locations where the DVAs are attached are determined by modal analysis with a finite element model of the FST. Further, by identifying the equivalent mass of the concerned modes, the optimal stiffness and damping coefficient of each DVA are obtained to minimise the resonant vibration amplitudes based on fixed-point theory. Finally, a three-dimensional coupled dynamic model of a metro vehicle and the FST with the DVAs is developed based on the nonlinear Hertzian contact theory and the modified Kalker linear creep theory. The track irregularities are included and generated by means of a time–frequency transformation technique. The effect of the DVAs on the vibration absorption of the FST subjected to the vehicle dynamic loads is evaluated with the help of the insertion loss in one-third octave frequency bands. The sensitivities of the mass ratio of DVAs and the damping ratio of steel-springs under the floating slab are discussed as well, which provided engineers with the DVA's adjustable room for vibration mitigation. The numerical results show that the proposed DVAs could effectively suppress low-frequency vibrations of the FST when tuned correctly and attached properly. The insertion loss due to the attachment of DVAs increases as the mass ratio increases, whereas it decreases with the increase in the damping ratio of steel-springs.     

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。     

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。     

空间缆索自锚式悬索桥动力特性及刚度影响规律

空间缆索自锚式悬索桥的主缆直接锚固在加劲梁上,同时由于主缆的空间特性,与地锚式悬索桥及传统平面索相比,其动力性能存在很大的差异.针对青岛海湾大桥大沽河航道桥建立非线性空间有限元模型,对其动力特性及结构刚度影响规律进行了分析.结果表明,该桥振型基本合理,具有密布的频谱;作为自锚式悬索桥其整体刚度较低,固有周期较长;单柱式桥塔的横向刚度较弱,横向振动出现较早;另外,由于缆索横向间距较小,刚度较小,前10阶振型中有5阶索振.各振型受结构刚度的影响不同,主缆刚度主要影响悬索桥的1阶竖弯及扭转,加劲梁竖向刚度对加劲梁1阶竖弯及加劲梁扭转振型影响较大,横向刚度主要影响悬索桥的加劲梁横向振型,扭转刚度主要影响悬索桥的1阶扭转振型;主塔纵向刚度主要影响悬索桥的纵飘振型;横向刚度主要影响索塔的1阶横向振型.     

摆式碰撞双重调谐质量阻尼器减振性能研究

柔性高耸桥塔具有刚度低、阻尼小等特点，极易在强风以及地震等动力荷载下产生大幅振动。摆式调谐质量阻尼器(Pendulum Tuned Mass Damper，简称摆式TMD)是目前常用的高耸结构被动控制方法，但其具有参数敏感、控制频域窄、阻尼实现手段复杂等突出缺点。为此，提出了一种摆式碰撞双重调谐质量阻尼器(Pendulum Pounding Double Tuned Mass Damper，简称PPDTMD)，该阻尼器具有双重调频能力，既提高了其减振性能，也解决了传统摆式TMD需要外接阻尼元件和碰撞式TMD噪声问题。建立了多自由度结构与摆式碰撞双重调谐质量阻尼器耦合系统的运动方程，通过参数搜索方法确定了其最优设计参数，拟合得到简化设计公式，对比了PPDTMD与传统摆式TMD的减振效果。以某自立桥塔为研究对象，分别研究了在涡振、地震、强风荷载作用下PPDTMD的抑振性能。研究结果表明:PPDTMD具有双重调谐特性，减振性能显著提升，当质量比为4%时，PPDTMD相对于理想摆式TMD、实际摆式TMD的动力放大系数峰值分别下降了11%和46%;在PPDTMD控制下，自立桥塔涡激共振(简谐激励)作用下的塔顶位移响应幅值减振率为71.9%；Kobe波作用下的塔顶位移峰值及均方值减振率分别为34.7%和60.2%；抖振力作用下的塔顶位移峰值及均方值减振率分别为26.9%和43.5%;不同动力荷载下PPDTMD的减振性能均优于传统摆式TMD。