波流作用下悬浮隧道结构响应的数值分析及试验研究

论文摘要

水中悬浮管段隧道一般由浮在水中一定深度的管状结构、锚固在水下基础的锚缆、杆及与两岸相连的构筑物组成。这种管段隧道代表着一种跨越水域的新型结构,与传统隧道的区别是隧道结构被水包围着,既不是位于地层中也不是穿过地层。结构通过重力、浮力以及支撑系统之间的平衡悬浮在水下一定深度,且利用支撑系统维持悬浮隧道的稳定性。由于其在环保、社会、经济效益、建造费用等方面的诸多优点,悬浮隧道正成为隧道专业方向新的研究课题,对于解决我国岛屿与大陆连接、海湾通道和近岸工程建设等无疑具有潜在的应用价值。悬浮隧道结构一般比较长,在几何特征上表现出明显的非线性。结构在自身重力、所受浮力和波、流荷载及支持系统共同作用下,可能呈现出较大的刚体位移及旋转,这无疑对悬浮隧道结构的安全性、稳定性将产生较大的影响。尽管在全球范围内还没有进入实际建设,国外许多国家对其己进行了近30年的研究,我国对悬浮隧道也进行了一些卓有成效的研究工作,但对悬浮隧道结构整体、系统性的研究仍是一片空白。本文针对以上问题主要进行了三个方面的研究工作,研究内容涉及悬浮隧道结构水动力特性分析、波流作用下悬浮隧道结构静、动力响应分析、悬浮隧道结构节段模型试验分析,论文各部分具体分析内容如下:（1）采用RNG K-ε湍流模型,利用ADINA有限元软件CFD模块对悬浮隧道大断面结构物在超高雷诺数下的绕流场进行了数值模拟,得到了悬浮隧道各基本类型断面的稳态压力系数、稳态阻力系数、脉动阻力系数以及脉动升力系数、斯特哈尔数,分析了水动力参数随断面几何构形、高宽比的变化规律。通过对各型断面水动力参数的综合比较分析,给出了悬浮隧道断面设计的指导建议,同时也为后续悬浮隧道静、动力计算分析提供必要参数取值依据,避免了参数取值的盲目性。（2）给出了利用Morison方程计算悬浮隧道结构波浪力、海流横向升力的简化计算方法,分析了悬浮隧道结构所受波流荷载随悬浮深度、海水深度、海流速度以及管段截面尺寸等参数的变化规律。（3）考虑了悬浮隧道结构与流体之间的耦合作用,采用非线性的波浪力和横向升力计算方法,建立了流体-结构耦合的悬浮隧道非线性动力分析模型。通过对动力方程进行合理的离散,利用ANSYS软件进行二次开发实现了求解过程。通过波浪作用下单跨梁悬浮隧道结构动力计算分析验证了非线性模型与线性模型计算差异,明确了悬浮隧道结构动力计算采用非线性模型的必要性。采用非线性动力分析模型,分析了悬浮隧道长度、管段截面尺寸、结构附加恒载、悬浮深度、海流速度对悬浮隧道结构动力响应的影响,在考虑结构安全性、稳定性以及经济效益的基础上提出了悬浮隧道结构设计的一些基本原则。（4）为衡量锚链振动对悬浮隧道结构的影响,对锚链在海流横向升力作用下动力响应进行了数值计算,分析了锚链预张力、海流速度、锚链长度、锚链截面积等参数对锚链横向位移、锚链轴力的影响。（5）针对悬浮隧道结构特征,将悬浮隧道管段简化为空间梁单元,锚链支持系统采用单向受拉杆单元,并考虑了锚链径向、环向运动的应力刚化效应。对悬浮隧道整体结构采用鱼骨梁模型进行建模,采用非线性动力模型进行了计算求解,分析了波流作用下锚链纵、横向布置方式、锚链长度、锚链角度、锚链距离、锚链张力对悬浮隧道结构静、动力响应的影响,给出了悬浮隧道结构锚链支持系统适用范围,设计过程中锚链支持系统设计参数的选择原则;分析了波流作用下曲线型、倒拱型悬浮隧道管体曲率对悬浮隧道结构静、动力特性的影响,给出了管体线型设计原则;通过自定义单元构造了悬浮隧道结构管段接头、驳岸接头单元,分析了接头弯曲刚度以及布置对结构静、动力特性的影响,结合结构稳定、安全性以及经济效益考虑给出了工程设计中实现的可行性。（6）悬浮隧道结构在水流力、波浪力等荷载的作用下会表现出弯曲、扭转、畸变、翘曲等变形,其力学特性十分复杂,难以通过悬浮隧道鱼刺梁模型进行分析。本文根据悬浮隧道工作环境,设计了悬浮隧道结构洋流模拟试验台,对悬浮隧道结构节段模型进行了试验研究,分析了海流作用下悬浮隧道管段空间应力状态以及锚索轴力的分布规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 悬浮隧道概念及其特点
• 1.1.1 悬浮隧道的概念
• 1.1.2 悬浮隧道的优点
• 1.2 国内外发展概况
• 1.2.1 悬浮隧道在国外的发展
• 1.2.2 悬浮隧道在国内发展历程
• 1.3 悬浮隧道技术研究进展
• 1.4 课题提出以及研究内容
• 1.4.1 本课题研究意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 悬浮隧道管段水动特性分析
• 2.1 湍流模型
• 2.1.1 湍流的连续性及雷诺方程
• 2.1.2 湍流计算模型
• 2.2 计算模型
• 2.2.1 模型构建
• 2.2.2 边界条件和初始条件
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 雷诺数的定义
• 2.3.2 模型表面平均压力系数的定义
• 2.3.3 定常力系数的定义
• 2.3.4 脉动力系数的定义
• 2.3.5 斯特哈尔数的定义
• 2.4 计算结果分析
• 2.4.1 流场分布
• 2.4.2 稳态压力系数
• 2.4.3 横向升力特性
• 2.4.4 稳态阻力系数及脉动阻力系数
• 2.5 本章小结
• 第3章 水下悬浮隧道波流荷载分析
• 3.1 悬浮隧道结构波浪力计算
• 3.1.1 Morison方程适用范围
• 3.1.2 结构简化
• 3.1.3 波浪力计算
• 3.1.4 波浪力参数
• 3.2 悬浮隧道波流荷载特征分析
• 3.2.1 波浪力计算公式
• 3.2.2 波浪力变化特征
• 3.2.3 海水深度影响分析
• 3.2.4 悬浮深度影响分析
• 3.2.5 管段截面影响分析
• 3.2.6 波浪力峰值分布
• 3.2.7 入射角影响分析
• 3.3 横向升力变化特征
• 3.3.1 横向升力计算
• 3.3.2 横向升力变化特征
• 3.3.3 波浪力与横向升力相对变化规律
• 3.4 结论
• 第4章 悬浮隧道结构非线性动力分析模型
• 4.1 非线性激励荷载
• 4.1.1 非线性波浪力
• 4.1.2 非线性横向升力
• 4.2 非线性动力分析模型
• 4.2.1 流体-结构耦合动力分析模型
• 4.2.2 动力方程离散
• 4.3 求解过程
• 4.3.1 模态分析及阻尼参数
• 4.3.2 实现方法
• 4.4 参数影响分析
• 4.4.1 模型对比分析
• 4.4.2 悬浮隧道长度影响分析
• 4.4.3 管段截面影响分析
• 4.4.4 结构附加恒载影响分析
• 4.4.5 悬浮深度分析
• 4.4.6 海流速度影响分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 悬浮隧道支撑系统分析研究
• 5.1 悬浮隧道支撑系统以及布置形式
• 5.1.1 悬浮隧道支撑系统
• 5.1.2 横向布索形式
• 5.1.3 纵向布索形式
• 5.2 悬浮隧道计算模型构建
• 5.3 锚链横向振动分析
• 5.3.1 结构简化
• 5.3.2 轴向张力影响分析
• 5.3.3 海流速度影响分析
• 5.3.4 锚索长度影响分析
• 5.3.5 锚索截面积影响分析
• 5.3.6 锚链横向动力特性总结
• 5.4 布索方式分析
• 5.4.1 计算模型
• 5.4.2 静力分析
• 5.4.3 波浪作用下结构响应分析
• 5.4.4 海流作用下结构响应分析
• 5.4.5 综合评价
• 5.5 锚链长度影响分析
• 5.5.1 计算模型
• 5.5.2 静力响应分析
• 5.5.3 波浪作用下结构响应分析
• 5.5.4 海流作用下结构响应分析
• 5.5.5 综合评价
• 5.6 锚链角度影响分析
• 5.6.1 计算模型
• 5.6.2 静力分析
• 5.6.3 波浪作用下结构响应分析
• 5.6.4 海流作用下结构响应分析
• 5.6.5 综合评价
• 5.7 锚链距离影响分析
• 5.7.1 计算模型
• 5.7.2 静力分析
• 5.7.3 波浪作用下结构响应分析
• 5.7.4 海流作用下结构响应分析
• 5.7.5 综合评价
• 5.8 锚链预张力影响分析
• 5.8.1 计算模型
• 5.8.2 静力分析
• 5.8.3 波浪作用下结构响应分析
• 5.8.4 海流作用下结构响应分析
• 5.8.5 综合评价
• 5.9 本章小结
• 第6章 悬浮隧道管线布置型式分析
• 6.1 管段水平曲率影响分析
• 6.1.1 计算模型
• 6.1.2 静力分析
• 6.1.3 波浪作用下结构响应分析
• 6.1.4 海流作用下结构响应分析
• 6.1.5 综合评价
• 6.2 管线垂直线型分析
• 6.2.1 计算模型
• 6.2.2 静力分析
• 6.2.3 波浪作用下结构响应分析
• 6.2.4 海流作用下结构响应分析
• 6.2.5 综合评价
• 6.3 管段长度以及接头刚度
• 6.3.1 计算模型
• 6.3.2 静力分析
• 6.3.3 波浪作用下结构响应分析
• 6.3.4 海流作用下结构响应分析
• 6.3.5 综合评价
• 6.4 驳岸接头刚度
• 6.4.1 计算模型
• 6.4.2 静力分析
• 6.4.3 波浪作用下结构响应分析
• 6.4.4 海流作用下结构响应分析
• 6.4.5 综合评价
• 6.5 本章小结
• 第7章 悬浮隧道空间节段模型试验研究
• 7.1 相似准则
• 7.1.1 结构模型相似判据
• 7.1.2 粘性不可压缩流体相似准则
• 7.3 设备配置及制作
• 7.3.1 试验水槽
• 7.3.2 节段模型设计及制作
• 7.3.3 节段模型布置
• 7.3.4 测试系统
• 7.3.5 试验过程
• 7.4 试验结果分析
• 7.4.1 管段应变分析
• 7.4.2 管段结构内力分析
• 7.4.3 管段结构速度、位移分析
• 7.4.4 锚索受力状态分析
• 7.5 本章小结
• 结论
• 主要结论
• 不足及建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及科研成果