悬浮隧道工程研究方法及结构与设计方法研究

悬浮隧道以往的研究特点可总结为项目研究或学术研究。文中提出第三类研究,即工程研究,并提出工程研究的方法、内容与模式。主要论点:1)工程研究的主线是结构;2)工程研究的本质是协同,包括设计与分析协同、分析理论与分析手段协同、数学模型与物理模型协同、以及对不同尺度物理模型与原型行为机理理解协同;3)工程研究采用攻关制,有助于突破资源与时间的限制,高效地创造永久价值;4)通过试验工程逐步完善工程研究方法,提出更多学术研究的方向、问题与需求。

悬浮隧道施工过程结构特征参数与设计关键参数研究

悬浮隧道施工过程结构力学特征研究仍是空白。悬浮隧道施工时结构特点是一端约束、一端“自由”,管体长度随施工逐渐加长。完工后,隧道长度不再变化,隧道管体两端与岸边的连接方式有铰接、固结,或介于两者间。文章提出用于指导设计的悬浮隧道结构体系参数?,该参数代表管体与接岸接头对结构体系刚度的贡献与锚固系统的比值。并研究?在不同取值时悬浮隧道结构特征参数在施工过程与完工后比值与规律,结构特征参数包括结构主振周期、均布荷载作用下管体挠度与内力及管体与接岸接头铰接和固结的两种连接方式。详述了?的使用对设计与分析工作的指导作用。

悬浮隧道整体结构行为机理试验研究2:详细设计

在“概念设计”的基础上介绍了悬浮隧道整体结构行为机理试验的详细设计,旨在细化设计方案,指导机理试验的开展。基于重力相似准则同时考虑弹性相似方法,详述了悬浮隧道模型制作及试验方案的设计,主要包含模型制作与安装、试验物理量测量布置以及外部水动力环境加载等的具体实现过程。文章首次揭露机理试验详细设计内容,明确试验结果与实际工程的相关性,为机理试验开展提供具体实施方案。

悬浮隧道车辆荷载响应分析与设计方法研究

基于悬浮隧道和车辆有限元模型,对车质量、车减震弹簧、行驶速度、车队间距、悬浮隧道沿程锚固刚度等进行参数分析,观察单辆车行驶引起的竖向挠度、动力放大系数以及车队行驶引起的跨中竖向加速度。提出了车辆荷载动力系数与以上参数的更深层次内在关联设想,并拟合得到高关联度公式。首次提出车道偏载问题并提出均布偏满载作用下解析解计算公式。比选不同悬浮隧道横断面抗扭性能。

悬浮隧道整体结构行为机理试验研究4:激振方法构想与实践

悬浮隧道整体结构行为机理试验的重要工况是人为激发并观察模型结构自振运动响应。文中讨论多种悬浮隧道模型激振试验的方法,包括自由振动衰减法、共振法和脉动法;前者又可通过锤击实现初速度或通过拉线-快速脱开实现初位移。简述各类方法的原理和实现方式、注意事项,并进行优缺点比较。

悬浮隧道纵向结构工程数值分析方法研究

对悬浮隧道纵向结构梁杆单元数值分析中的管体扭转模拟方法与必要性、单元划分长度、几何非线性算法必要性、结构阻尼、水阻尼、附加水质量系数及锚索单元选择问题从工程参数影响、计算效率、设计风险和可接受偏差等方面进行了研究。主要发现:1)通过刚臂来模拟扭转的必要性,取决于横断面外轮廓形状、长宽比、锚索长度,以及锚索断面布置形式;2)耗费更多计算资源的几何非线形算法的必要性,与作用于管体的荷载量级和管体高跨比正向相关;3)多数情况水阻尼在结构整体动力分析时取定值可满足工程分析精度要求。

悬浮隧道管体横断面设计拟定方法研究

基于港珠澳大桥岛隧工程沉管经验,结合文献分析,提出悬浮隧道管体横断面设计拟定方法。发现:1)横断面拟定可类比沉管横断面的使用空间,并结合本文提出的浮重计算公式与调载计算公式,将这三者作为原则来绘图确定;2)悬浮隧道管体重量要求应比沉管隧道的更严苛;3)为工程实用,当前研究所谓浮重比或净浮力指标应进一步区分为使用期的目标值与横断面设计拟定用的参考值。

悬浮隧道整体结构行为机理试验研究1:总体

2018年港珠澳大桥沉管隧道完工,中交港珠澳大桥岛隧工程组建了悬浮隧道联合研究组,提出并设计了锚索式悬浮隧道整体水池试验。原型长1.2 km,比尺1:50。对试验意义、技术可行性及细节进行多轮研讨,第一阶段试验于2019年初启动。在天津修建专用试验水池,在大连制造试验模型。文章介绍试验总体设计及演变、关键问题、实践反馈以及第二代试验设计。主要论点或发现为:1)悬浮隧道整体水池试验宜分为机理、参数和工程三阶段,其中的机理试验宜分为预试验、机理试验和验证试验3个阶段;2)需要系统支撑确保试验效率与质量;3)提出并比选了净浮力模拟的3种方法;4)试验中需注意避免人造波浪对模型及测量系统的损害。

悬浮隧道水动力性能研究试验方法综述

悬浮隧道设计过程需进行水动力工程试验研究确定相关水动力参数,验证方案可行性。悬浮隧道尚无工程案例,无实测数据,物理模型试验方法是突破该项工程技术的关键。借鉴海洋工程试验方法,对悬浮隧道物理模型试验方法进行论述。首先论述了模型试验基本原理,分为相似准则和流场测量两部分;并详细介绍悬浮隧道水动力工程试验所涉及内容,包括管体拖曳试验、波浪对管体作用试验、平面运动机构试验、水槽试验、涡激运动试验、海洋工程水池试验、水弹性试验;针对试验内容详述了试验原理、试验步骤及影响结果的关键因素等。

悬浮隧道整体结构响应与自振频率数学模型解析解研究

悬浮隧道在海流、长峰波以及海水密度变化等均布荷载作用下变形及自身自振频率是工程研究关注的重要问题之一。文中列出简化的悬浮隧道2D数学模型,包括16组偏微分方程模型,每个方程代表一类悬浮隧道及其与岸边的特定连接方式,管体沿程约束包括自由式和有约束形式,管体无轴力和恒定有轴力,管体两端约束形式包括固结或铰结或一端约束一端无约束。以上方程的解析解通过分离变量法求得。文中模型及其解析解可应用于施工期及运营期的锚索式悬浮隧道分析,前提是锚索质量小、管体横断面无变化,分段式锚固可简化为连续锚固。研究结果将为悬浮隧道的进一步研究和施工提供理论借鉴。

悬浮隧道运营期横断面分析方法及受力特征研究

借鉴港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道横断面结构分析方法,依托工程研究,进行运营阶段横断面分析方法及受力特征研究。得到如下结论:1)首次提出了悬浮隧道典型横断面平面应变模型边界约束方式,内力计算结果相对保守;2)横断面外轮廓曲线越光滑、棱角越小,横断面受力性能越好;3)系统划分与整理各种永久荷载、可变荷载及偶然荷载,初步研究了ULS和ALS系数取值及荷载组合;4)20 m淹没水深净浮力作用内力包络值约为温度梯度作用的3倍,交通荷载作用的10倍;5)ULS轴力及剪力包络值大于ALS,而弯矩包络值前者小于后者。

悬浮隧道整体结构行为机理试验研究3:实践

文章论述悬浮隧道整体结构行为机理试验实践中发现的关键问题与解决方案,包括第一代模型研发过程,模型初始形态调节流程,测量仪器检验,测量系统物理量同步及智能化采集提出与实现,数据存储系统及数据安全保障等。总结了试验工作中获得的经验及试验策略调整,为后续工作开展提供指导性建议。

悬浮隧道纵向结构受力工程规律研究

对包括水平线形、管节刚度、接头刚度、缆索刚度、基础沉降以及缆索失效等悬浮隧道纵向结构相关工程参数开展研究,并对部分参数进行敏感性分析。发现:悬浮隧道水平曲率半径应综合考虑管体挠度、弯矩和扭转并结合规范进行取值;管节刚度与缆索刚度对隧道体系的影响存在此消彼长的关系,接头刚度的影响与管节刚度相同;近岸缆索沉降及单根竖缆沉降为较不利沉降工况;跨中缆索失效引起的挠度增量较大。

悬浮隧道波浪作用下弹振工程分析方法研究

基于以往悬浮隧道弹振问题分析方法,提出了可用于指导悬浮隧道设计的弹振验算分析思路。并且,基于既有研究给出的波浪作用下悬浮隧道运动位移解析表达式,进一步推导得到了忽略缆索垂度效应的弹振判断式,用于悬浮隧道设计起步时最小净浮力或浮重比的初始取值,并指导缆索布置方案的比选。

悬浮隧道多锚固方案结构综合分析与评价研究

提出一种悬浮隧道锚索方案综合分析与评价方法,通过设置1 km长直线形悬浮隧道6个特征锚索方案,采用几何非线性静力及模态有限元计算各方案在特征荷载作用下管体、锚索、锚点响应及结构动力特性。发现:1)空间布置方案如“倒置索桥”锚索工程量较大;2)高长比1:100管体扭转刚度贡献仍然受控于岸边约束和管体结构;3)缆力变化最大方案,其缆力变化分布通常也最不均,也即缆力纵向不均程度超过其横向的;4)“两竖两斜”和“两撇两捺”锚索横向布置方案性价比较高,当不需控制管体水平位移时,“两竖”布置方案性价比最高。

悬浮隧道特征横断面过水特性研究2:波浪荷载

根据势流理论对悬浮隧道多种横断面外轮廓进行波浪荷载频域计算。给出了延米单位竖向波浪力频域结果。分析了断面形状、断面宽度和分离式断面间距对波浪力和波浪倾覆力矩的影响规律。并进一步提出了23个特征断面大周期波浪作用时绕射系数。研究发现:1)方形所受水平和竖向波浪力较大,上下不对称形波浪倾覆力矩较大;2)波浪荷载随断面宽度增大而增大;3)双管间距增加导致竖向波浪力减小,而引起倾覆力矩加大;4)绕射系数随波浪周期增大而趋于稳定;稳定后,断面宽度越大,水平绕射系数越小,竖向绕射系数越大。

悬浮隧道节段模型真实刚度有关问题研究

悬浮隧道管体节段模型研究方法通常是水槽物模试验、数模或两者。文章指出现有研究忽略或忽视了悬浮隧道岸边约束与管体结构对节段真实刚度贡献,节段模型不真实的边界条件将影响其研究结论对工程的实用性与指导价值。提出悬浮隧道运营期节段真实刚度计算原则和简算公式,并对节段水槽物模试验进行真实刚度改良设计,最后提出开发数值纽带将带有真实刚度的节段模型平面分析结果扩展至三维整体分析的初步设想,并用双尾流振子方程拟合物模与CFD结果的VIM轨迹作为设想的第一步尝试。

悬浮隧道管壁截面力学性能分析程序研发与构造研究

介绍编制的悬浮隧道管壁正截面轴力-弯矩曲线、弯矩-曲率曲线计算程序,论述了程序原理及逻辑流程,验证了程序的准确性;并分析了6种不同复合截面力学特性、3个截面在火灾作用下力学特性的变化及UHPC新型材料的参数敏感性。结果表明:双壳截面轴力-弯矩曲线包络面积和抗弯承载力最大,全UHPC配筋截面抗压承载能力最高,钢壳素混凝土截面延性最好。外包钢壳或UHPC使截面轴力-弯矩曲线包络面积、抗压承载力、抗弯承载力及曲率延性得到提高。在外包UHPC材料钢筋混凝土截面中,考虑UHPC抗拉强度较不考虑的抗弯承载力提高1.31%。随着外包UHPC厚度增大,截面抗弯承载力提高,然而延性系数却先增后减。随着UHPC强度增大,截面的抗弯承载力及延性系数都近似线性提高。在火灾作用下前20 min内,截面抗弯承载力及延性系数下降速度较快;防火板在前40 min内可有效减缓二者下降速度。

悬浮隧道特征横断面过水特性研究3:涡激运动

采用计算流体力学软件fluent及其用户自定义函数(UDF)建立均匀流场中悬浮隧道不同特征横断面涡激运动模型,研究不同断面运动特征。发现:1)位移幅值分析结果表明双方管位移小于双圆管与单方管;2)选取2个特征断面,分析在不同约化速度下的位移幅值、运动轨迹特征及尾涡脱落模式,结果表明在锁定区间内,管体位移将显著增大;3)建立不同系统刚度的涡激运动模型,分析管体受力变化,结果表明当发生涡激共振时,管体受力将显著增大;4)相比圆形,方形断面约束较弱时受力明显增大,涡脱频率明显降低。

悬浮隧道不同线形波浪作用受力研究

悬浮隧道所受波浪作用与其设计线形相关,而关于两者间联系研究极少。通过工程简化模型、编程和分析,系统地揭露了悬浮隧道管体长度、隧道长度与波浪方向夹角、纵向坡度、平面曲线和其受到波浪力的内在规律。这些规律对悬浮隧道线形设计具有一定指导意义,海上工程设计规范中的拟静力计算方法需进一步发展来适应悬浮隧道设计问题。