波流作用下懸浮隧道結構響應的數值分析及試驗研究.pdf

1、水中懸浮管段隧道一般由浮在水中一定深度的管狀結構、錨固在水下基礎的錨纜、桿及與兩岸相連的構筑物組成。這種管段隧道代表著一種跨越水域的新型結構，與傳統(tǒng)隧道的區(qū)別是隧道結構被水包圍著，既不是位于地層中也不是穿過地層。結構通過重力、浮力以及支撐系統(tǒng)之間的平衡懸浮在水下一定深度，且利用支撐系統(tǒng)維持懸浮隧道的穩(wěn)定性。由于其在環(huán)保、社會、經濟效益、建造費用等方面的諸多優(yōu)點，懸浮隧道正成為隧道專業(yè)方向新的研究課題，對于解決我國島嶼與大陸連接、海灣通道

2、和近岸工程建設等無疑具有潛在的應用價值。 懸浮隧道結構一般比較長，在幾何特征上表現出明顯的非線性。結構在自身重力、所受浮力和波、流荷載及支持系統(tǒng)共同作用下，可能呈現出較大的剛體位移及旋轉，這無疑對懸浮隧道結構的安全性、穩(wěn)定性將產生較大的影響。盡管在全球范圍內還沒有進入實際建設，國外許多國家對其已進行了近30年的研究，我國對懸浮隧道也進行了一些卓有成效的研究工作，但對懸浮隧道結構整體、系統(tǒng)性的研究仍是一片空白。 本文針對以

3、上問題主要進行了三個方面的研究工作，研究內容涉及懸浮隧道結構水動力特性分析、波流作用下懸浮隧道結構靜、動力響應分析、懸浮隧道結構節(jié)段模型試驗分析，論文各部分具體分析內容如下： （1）采用RNG K—ε湍流模型，利用ADINA有限元軟件CFD模塊對懸浮隧道大斷面結構物在超高雷諾數下的繞流場進行了數值模擬，得到了懸浮隧道各基本類型斷面的穩(wěn)態(tài)壓力系數、穩(wěn)態(tài)阻力系數、脈動阻力系數以及脈動升力系數、斯特哈爾數，分析了水動力參數隨斷面幾何構

4、形、高寬比的變化規(guī)律。通過對各型斷面水動力參數的綜合比較分析，給出了懸浮隧道斷面設計的指導建議，同時也為后續(xù)懸浮隧道靜、動力計算分析提供必要參數取值依據，避免了參數取值的盲目性。 （2）給出了利用Morison方程計算懸浮隧道結構波浪力、海流橫向升力的簡化計算方法，分析了懸浮隧道結構所受波流荷載隨懸浮深度、海水深度、海流速度以及管段截面尺寸等參數的變化規(guī)律。 （3）考慮了懸浮隧道結構與流體之間的耦合作用，采用非線性的波浪

5、力和橫向升力計算方法，建立了流體—結構耦合的懸浮隧道非線性動力分析模型。通過對動力方程進行合理的離散，利用ANSYS軟件進行二次開發(fā)實現了求解過程。通過波浪作用下單跨梁懸浮隧道結構動力計算分析驗證了非線性模型與線性模型計算差異，明確了懸浮隧道結構動力計算采用非線性模型的必要性。采用非線性動力分析模型，分析了懸浮隧道長度、管段截面尺寸、結構附加恒載、懸浮深度、海流速度對懸浮隧道結構動力響應的影響，在考慮結構安全性、穩(wěn)定性以及經濟效益的基礎

6、上提出了懸浮隧道結構設計的一些基本原則。 （4）為衡量錨鏈振動對懸浮隧道結構的影響，對錨鏈在海流橫向升力作用下動力響應進行了數值計算，分析了錨鏈預張力、海流速度、錨鏈長度、錨鏈截面積等參數對錨鏈橫向位移、錨鏈軸力的影響。 （5）針對懸浮隧道結構特征，將懸浮隧道管段簡化為空間梁單元，錨鏈支持系統(tǒng)采用單向受拉桿單元，并考慮了錨鏈徑向、環(huán)向運動的應力剛化效應。對懸浮隧道整體結構采用魚骨梁模型進行建模，采用非線性動力模型進行了計

7、算求解，分析了波流作用下錨鏈縱、橫向布置方式、錨鏈長度、錨鏈角度、錨鏈距離、錨鏈張力對懸浮隧道結構靜、動力響應的影響，給出了懸浮隧道結構錨鏈支持系統(tǒng)適用范圍，設計過程中錨鏈支持系統(tǒng)設計參數的選擇原則；分析了波流作用下曲線型、倒拱型懸浮隧道管體曲率對懸浮隧道結構靜、動力特性的影響，給出了管體線型設計原則；通過自定義單元構造了懸浮隧道結構管段接頭、駁岸接頭單元，分析了接頭彎曲剛度以及布置對結構靜、動力特性的影響，結合結構穩(wěn)定、安全性以及經濟