懸浮隧道流固耦合動力響應分析及試驗研究.pdf

1、懸浮隧道是一種技術先進、環(huán)保和符合可持續(xù)發(fā)展的跨越長大水道的新型交通構筑物。其在波浪、水流作用下的渦激共振現(xiàn)象、地震響應分析方法及其駁岸的邊界條件的影響值得關注和研究。本文結合國家自然基金項目，從懸浮隧道渦激振動和地震響應兩方面出發(fā)，通過考慮流固耦合作用，對懸浮隧道管體—錨索耦合振動、錨索流固耦合渦激振動、橫向地震作用下的動力響應和豎向地震作用下作用于管體上的動水荷載進行了系統(tǒng)的分析研究。主要成果如下:
　　(1)通過對懸浮隧道管

2、體-錨索系統(tǒng)進行簡化，建立管體-錨索結構動力響應的模型，采用Hamilton原理推導出考慮錨索橫向振動與管體豎向振動之間相互耦合的微分方程，并進行了方程求解。在此基礎上，以某懸浮隧道為例，通過設定懸浮隧道不同的設計參數(shù)和工況，分析研究了懸浮隧道在渦激力作用下的錨索和管體的耦合振動響應。
　　(2)基于結構動力學理論和流體力學，通過考慮錨索振動與流場的相互影響（即流固耦合），以千島湖懸浮隧道設計方案為工程背景，采用分離式耦合法對錨索

3、在水中的自由振動及在均勻流作用下的渦激振動進行了數(shù)值計算，得到了錨索在水中的自由振動頻率、流體線性阻尼比和分析了不同約化速度對順流向振幅、橫流向振幅、拖曳力系數(shù)和舉升力系數(shù)的影響。
　　(3)利用浙江大學結構試驗室風浪流綜合水槽，進行了懸浮隧道錨索流固耦合振動的節(jié)段模型試驗，近似模擬千島湖懸浮隧道錨索流固耦合振動情況，測試得到了圓形錨索的慣性力系數(shù)、流體線性阻尼比和不同約化速度下的順流向振幅、橫流向振幅、拖曳力系數(shù)和舉升力系數(shù)，另

4、外還測試分析了錨索傾斜角度和來流角度對其渦激振動的影響。
　　(4)提出懸浮隧道錨索渦激振動抑振方法，通過參考海洋立管抑振措施，設計了三種懸浮隧道錨索的抑振裝置:三螺旋線、三控制桿和整流罩。采用模型試驗的方法，研究分析了錨索傾斜角度、來流危度的變化對各種抑振裝置的抑振效果的影響，對未來懸浮隧道錨索抑振裝置的選擇提出了建議。
　　(5)考慮橫向地震作用下懸浮隧道駁岸結構周圍巖土性質對邊界條件的影響，建立三向土彈簧約束的懸浮隧道

5、數(shù)值模型，采用大質量法，結合我國東部海域海床巖土性質，并參照意大利Messina海峽懸浮隧道設計方案的參數(shù)，研究分析了駁岸段長度Lsh、粘性土剪切模量G、錨索傾斜角度α、懸浮管體重浮比η和海水水動力系數(shù)（CD和Cm）等參數(shù)對懸浮隧道地震響應的影響。
　　(6)針對理想流體層中的懸浮隧道管體及錨索體系，研究了動水荷載—水體受地震激勵后與管體相對運動在管體外表面產(chǎn)生的作用力。通過引入相關的假定，借助波動方程理論，推導了理想懸浮隧道管體