波流作用下懸浮隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)值分析及試驗(yàn)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(jié)構(gòu)、錨固在水下基礎(chǔ)的錨纜、桿及與兩岸相連的構(gòu)筑物組成。這種管段隧道代表著一種跨越水域的新型結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)隧道的區(qū)別是隧道結(jié)構(gòu)被水包圍著，既不是位于地層中也不是穿過地層。結(jié)構(gòu)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(huì)、經(jīng)濟(jì)效益、建造費(fèi)用等方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，懸浮隧道正成為隧道專業(yè)方向新的研究課題，對(duì)于解決我國島嶼與大陸連接、海灣通道

2、和近岸工程建設(shè)等無疑具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。 懸浮隧道結(jié)構(gòu)一般比較長，在幾何特征上表現(xiàn)出明顯的非線性。結(jié)構(gòu)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(xiàn)出較大的剛體位移及旋轉(zhuǎn)，這無疑對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性將產(chǎn)生較大的影響。盡管在全球范圍內(nèi)還沒有進(jìn)入實(shí)際建設(shè)，國外許多國家對(duì)其已進(jìn)行了近30年的研究，我國對(duì)懸浮隧道也進(jìn)行了一些卓有成效的研究工作，但對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)整體、系統(tǒng)性的研究仍是一片空白。 本文針對(duì)以

3、上問題主要進(jìn)行了三個(gè)方面的研究工作，研究內(nèi)容涉及懸浮隧道結(jié)構(gòu)水動(dòng)力特性分析、波流作用下懸浮隧道結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力響應(yīng)分析、懸浮隧道結(jié)構(gòu)節(jié)段模型試驗(yàn)分析，論文各部分具體分析內(nèi)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(duì)懸浮隧道大斷面結(jié)構(gòu)物在超高雷諾數(shù)下的繞流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)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(shù)、穩(wěn)態(tài)阻力系數(shù)、脈動(dòng)阻力系數(shù)以及脈動(dòng)升力系數(shù)、斯特哈爾數(shù)，分析了水動(dòng)力參數(shù)隨斷面幾何構(gòu)

4、形、高寬比的變化規(guī)律。通過對(duì)各型斷面水動(dòng)力參數(shù)的綜合比較分析，給出了懸浮隧道斷面設(shè)計(jì)的指導(dǎo)建議，同時(shí)也為后續(xù)懸浮隧道靜、動(dòng)力計(jì)算分析提供必要參數(shù)取值依據(jù)，避免了參數(shù)取值的盲目性。 （2）給出了利用Morison方程計(jì)算懸浮隧道結(jié)構(gòu)波浪力、海流橫向升力的簡化計(jì)算方法，分析了懸浮隧道結(jié)構(gòu)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(shù)的變化規(guī)律。 （3）考慮了懸浮隧道結(jié)構(gòu)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(jì)算方法，建立了流體—結(jié)構(gòu)耦合的懸浮隧道非線性動(dòng)力分析模型。通過對(duì)動(dòng)力方程進(jìn)行合理的離散，利用ANSYS軟件進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了求解過程。通過波浪作用下單跨梁懸浮隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算分析驗(yàn)證了非線性模型與線性模型計(jì)算差異，明確了懸浮隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算采用非線性模型的必要性。采用非線性動(dòng)力分析模型，分析了懸浮隧道長度、管段截面尺寸、結(jié)構(gòu)附加恒載、懸浮深度、海流速度對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，在考慮結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)

6、上提出了懸浮隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些基本原則。 （4）為衡量錨鏈振動(dòng)對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)錨鏈在海流橫向升力作用下動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了錨鏈預(yù)張力、海流速度、錨鏈長度、錨鏈截面積等參數(shù)對(duì)錨鏈橫向位移、錨鏈軸力的影響。 （5）針對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)的應(yīng)力剛化效應(yīng)。對(duì)懸浮隧道整體結(jié)構(gòu)采用魚骨梁模型進(jìn)行建模，采用非線性動(dòng)力模型進(jìn)行了計(jì)

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(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力響應(yīng)的影響，給出了懸浮隧道結(jié)構(gòu)錨鏈支持系統(tǒng)適用范圍，設(shè)計(jì)過程中錨鏈支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)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(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力特性的影響，給出了管體線型設(shè)計(jì)原則；通過自定義單元構(gòu)造了懸浮隧道結(jié)構(gòu)管段接頭、駁岸接頭單元，分析了接頭彎曲剛度以及布置對(duì)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力特性的影響，結(jié)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全性以及經(jīng)濟(jì)