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1、 单位代码分类号密级 学 号墨廑交通戈謦硕士学位论文论文题目: 深海悬浮隧道荷载组合及效应分析研究生姓名: 疏义广导师姓名、职称: 蒋树屏 研究员 王晓雯 教授申请学位门类: 工学专业名称: 桥梁与隧道工程论文答辩日期: 年月日重庆交通大学学位授予单位:答辩委员会主席: 梅志荣评阅人: 林志高 峰年月?删?重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结
2、果由本人承担。日二年年肿日学位论文作?:彩妙重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并进行信息服务包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等,同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。伯“牧 .以指导教师签名:靴做储躲痂妙日期:为年年月,日 日期:为年牟月,日本人同意将
3、本学位论文提交至中国学术期刊光盘版电子杂志社系列数据库中全文发布,并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。,?州酬一兢饷厮学位论文作者签名:在氟匕/?撇:粕饷竹学赢文储躲确边厂日期:劢年年月夕日期。刀/乙年月/日摘 要,简称是通过结构自重、水水中悬浮隧道玛 的浮力及锚固力的平衡作用,使其悬浮在水中适当深度的新型管状交通结构物,是一种用于跨越海峡、海湾、湖泊及其他水道的新型结构形式,由于悬浮隧道具有通行时间短、对自然环境影响小、建造地点的选择比较自由以及不破坏建造地点的自然景观等诸多方面的优点,其对于解决各国的岛屿与大陆连接、海湾通道和近岸工程建设等具有潜在的应用价值,因此
4、水中悬浮隧道正日益成为隧道专业方向新的研究课题。本文主要进行了以下工作:.概述了水中悬浮隧道所处环境,对作用在水中悬浮隧道上的各种荷载进行了总结并归类。.简单的介绍了波浪理论,初步分析了波浪和水流对水中悬浮隧道所产生荷载的计算方法,并运用定常流理论来计算水流对水中悬浮隧道的荷载。.采用大型有限元软件建立水中悬浮隧道的三维有限元模型,对椭圆形,.、椭圆形刁.、椭圆形刁.、椭圆形,.、椭圆形刁.、圆形和多边形断面在不同水流流速、不同张力腿角度、不同悬浮深度情况下的静力响应进行了对比分析。.利用流体计算软件程序进行水中悬浮隧道的绕流场模拟,对椭圆形,.、椭圆形,.、椭圆形叩.、椭圆形刁.、椭圆形,.
5、、圆形和多边形断面在不同水流流速下的压力场与速度场进行了对比分析。关键词:水中悬浮隧道;荷载;有限元;静力响应;压力场;速度场眦鲫啪,址 坨、 锄 觚、 咖 觚锄蚀妇硒 仃郴砌,唰. ,矗,【嬲: 印 . 觚耐北;姗 出 培 】; 圮 缸. 曲 印们 锄 锄,衄 锄锄 行 锄 量. .弱:. 眺 撕 印 豫 虢. 恤。巧 ,锄 优 ,锄 啪. 锄 玎晰珥.协 谢. ,.、刁. 、,. 、,.锄 、巧.驼 :】,、 锄锄 唱 .、,锄觚 圮 时 ,.、刁. 、. 、刁. 觚 、,. 航 够啪; ;:唱 ;目 录.第一章绪论?.水中悬浮隧道的概念和特点?.水中悬浮隧道的概念?.水中悬浮隧道的特点.
6、水中悬浮隧道的发展概况?。.水中悬浮隧道的研究进展?.管体结构研究.锚固体系研究?。.模型试验研究.其他相关研究.论文研究内容和技术路线第二章作用在水中悬浮隧道上的荷载分析?.荷载分类.波浪理论.线性波浪理论巧波理论.有限波幅理论波理论.椭圆余弦波理论波理论?.孤立波理论波理论.摆线波理论?.波浪对悬浮隧道的作用分析.概苤. 公式.面公式中各参数的确定?.波浪力的折减?.水流对水中悬浮隧道的作用分析?.。.概苤.拖曳力?。.漩涡泄放效应?.涡激振动?.小结第三章张力腿型水中悬浮隧道的断面形状研究?.有限元法和软件简介.水中悬浮隧道模型.结构选型.模型计算参数及网格划分.流速影响分析。.竖向位移
7、.横向位移.迎流面张力腿轴力?。.背流面张力腿轴力.张力腿角度影响分析?.竖向位移.横向位移。.悬浮深度影响分析.竖向位移.横向位移.小结.第四章水中悬浮隧道不同断面下的绕流场模拟.软件介绍?.的求解过程.软件的基本用法?. 求解步骤?.流体运动的基本方程?.连续方程?.运动方程一.雷诺方程.湍流计算模型.零方程模式?.一方程模型?一.二方程模型.雷诺应力模型?。.代数应力模型?.计算模型及边界条件.计算结果分析.压力场分析?.速度场分析?。.本章小结?.第五章结论与展望?。.结论?.不足与建议?致谢。.。.。.参考文献在学期间发表的论著及取得的科研成果?第一章绪论绪论 珀下匕第一章 .帚一早
8、.水中悬浮隧道的概念和特点.水中悬浮隧道的概念水中悬浮隧道 ,简称是通过结构自重、水的浮力及锚固力的平衡作用,使其悬浮在水中适当深度的新型管状交通结构物,是一种用于跨越海峡、海湾、湖泊及其他水道的新型结构形式,它是交通运输工具跨越被深水分隔的两岸之间的一种新型结构物,适用于所有需在水中穿行的交通运载工具,可通行火车、汽车、小型机动车和行人,还可以做成穿行各种管道和电缆的服务通道【】。由于水中悬浮隧道稳定的原理是以著名的阿基米德浮力理论为基础,所以水中悬浮隧道又被称之为“阿基米德桥,但从结构形式和使用的观点来看,这种结构具有一般隧道的所有特点,而且它又是密封的,因此该结构一般被认为是“隧道而非“
9、桥梁【。悬浮隧道一般由悬浮在水中一定深度的管状或箱型结构该结构的空间较大,足以适应道路和铁道交通的要求、支撑系统锚固在海底基础上的锚索、墩柱或水面上的浮箱以及与两岸连接的构筑物组成【。图.是水中悬浮隧道的几种典型的结构形式。缬滞缓图.张力腿锚索式悬浮隧道. 觚 哪学他幅第一章绪论图.浮筒式悬浮隧道. 姗曙图.固定支撑式悬浮隧道. 蛐 日 .水中悬浮隧道的特点由于水中悬浮隧道的新型结构形式,其与轮渡、桥梁、沉管隧道、水底隧道等一些传统的跨越方式相比,具有如下特剧:水中悬浮隧道减少了与陆地交通连接的过渡隧道的长度或坡度,改善了道路线形,一般来讲,汽车通过水中悬浮隧道所需时间与汽车通过桥梁所需时间较
10、接近,比通过水底隧道或沉管隧道的时间要少,远远少于轮渡所需的时间;水中悬浮隧道受自然环境的影响小,例如海面上台风的袭击,大雾天气交通也可正常通行,并且可小时不问断运营。因此水中悬浮隧道能够很好的缓解像桥梁上的交通拥堵情况,以保证交通的正常运行;水中悬浮隧道的建造位置的选择很灵活,无论是竖直方向悬浮深度的选择,第一章绪论 还是平面位置或平面线形的选择其都有很大的灵活性。线路走向可以选择对海岸沿线的居民影响小,适合当地的地形,不影响海岸线正常使用的区域,这样可以确保工程有非常好的社会效益、经济效益和环境效益等。根据年国际海洋组织会议的认可,水中悬浮隧道的顶部适宜放置在距水面及以下,则不影响船舶正常
11、安全地通过该水域;水中悬浮隧道的建设不会对所建地点的周围景观环境造成破坏,对结构物周边区域的环境影响小,更有利于环境的保护,这对于游客云集的旅游地点非常重要。此外,水中悬浮隧道不会对水面上的生活活动或生产活动造成影响,如体育比赛、水产养殖等;水中悬浮隧道的纵向坡度较为平缓,可以降低汽车的耗油量,继而可以节省能源。不仅如此车辆通过水中悬浮隧道所排放出的污染气体可以收集起来,利用尾气净化设备进行处理在排放到大气中,这可以极大的降低汽车尾气的排放对大气所造成的污染;当海域的跨度及水深超过某一定值时一般海域的水深大于米,海域跨度大于米,水中悬浮隧道的单位造价不会随跨度及水深而变化,几乎是保持不变的,而
12、悬索桥和斜拉桥的单位造价则不会像水中悬浮隧道那样,它们的造价与跨度息息相关。根据欧洲联盟觚的研究,规划中的总长度为.公里的挪威孵旬海峡水中悬浮隧道的总体造价约为.亿欧元,该工程是两车道的公路水中悬浮隧道,每公里的造价约为万欧元;而如果在地震频发地区的意大利海峡修建一条水中悬浮隧道,其总长度为公里,是公路与铁路两用的,有条汽车道和条火车道,该工程总的造价将超过亿欧元,每公里的造价将约为亿欧元,但如果在该区域修建悬索桥或斜拉桥,那么工程的造价将是水中悬浮隧道方案的好几倍之多。.水中悬浮隧道的发展概况水中悬浮隧道的概念最早可追朔到年或更早,年该概念在挪威获得专利,这也是世界上第一个关于水中悬浮隧道的
13、专利【。水中悬浮隧道的研究真正开始于上世纪年代,其中主要集中在挪威、意大利等欧洲国家,而美国、日本、中国也相继展开了水中悬浮隧道的研究。挪威是对水中悬浮隧道研究较早且较深入的一个国家。年,向介绍了水中悬浮隧道的初步概念。在年,.提出了一个水中悬浮隧道设计方案,该水中悬浮隧道是通过锚索将隧道管段悬浮在水中一定深度,隧道管段是由钢筋混凝土组成的,未设置管段的接头,因为当时管段接头的技术不成熟,造第一章绪论成了管段接头容易损坏。年,挪威也开始了对水中悬浮隧道的研究,挪威国内的一些研究人员组成了专门的水中悬浮隧道研究小组,开始研究其在实际工程中实施的可行性,取得了一些研究成果并在年月发表。该研究成果中
14、提出水中悬浮隧道适合修建的水域宽度为。此后,大部分该研究小组中的成员成立了委员会,其工作是为、和之间的嬲海湾提供一种水中悬浮隧道的设计方案。年,在挪威觚举行的海峡穿越国际会议上,提出了在赫格峡湾修建水中悬浮隧道工程。年,参加赫格峡湾水中悬浮隧道工程研究的四个挪威工程公司分别向挪威政府的公路管理部门提交了水中悬浮隧道设计方案,分别为由三个浮筒锚固的混凝土隧道管段、六个浮筒锚固的混凝土隧道管段、十个浮筒锚固的钢壳隧道管段和四组竖向张力腿锚固的混凝土隧道管段引。年,英国工程师舭四通过对越意大利海峡的调查与研究,提出水中悬浮隧道适合该海峡。年,意大利研究人员开始研究对水中悬浮隧道的研究,并着重在海峡水
15、中悬浮隧道的修建可行性。随后,意大利阿基米德桥国际公司 公司购得了海峡关于水中悬浮隧道设计的专利,并在年对水中悬浮隧道方案的预可行性进行了研究,提出了连接意大利海峡两岸的水中悬浮隧道在实际工程中应用的可行性,并提出了一些需要深入研究的问题。在年,该公司又研究了在连接意大利舱海峡两岸工程中的水中悬浮隧道方案所必须的最小水中深度,船舶在航行过程中的安全性等问题,提出应将隧道项部距水面的距离至少为,这样才不会对船舶通过海峡的安全性产生影响,在年召开的国际海洋会议认可了该研究成果。意大利阿基米德国际公司研究工作室和和集团公司与意大利“集团合作,分别在年、年,对水中悬浮隧道设计过程中需要考虑的管段的横截
16、面形式、设计荷载、支撑系统、设计标准等问题展开了深入的探讨和研究,并设计出了几种典型的管段横截面形状。集团公司对水中悬浮隧道设计指南的编制方面做了很大的贡献,为相关单位和研究机构对水中悬浮隧道设计提供了参考依据,这使得对水中悬浮隧道的研究向前迈进了一大步【。根据挪威、意大利等国家对水中悬浮隧道的研究成果,欧盟认为水中悬浮隧道相比于桥梁、沉管隧道等具有较强的竞争力。因此,欧盟于年出资并组织挪威、丹麦和意大利的相关部门和专家对水中悬浮隧道技术的关键性问题做进一步的研究,以便为将来水中悬浮隧道的建设提供设计参考与依据。,在世纪年代末,国际隧道协会 简称开始积极促进世界上各国家之间在水中悬浮隧道技术研
17、究上的交流与第一章绪论合作。年,成立了一个专门研究水中悬浮隧道的小组。年,国际隧道协会对世界各国对水中悬浮隧道的研究现状进行调研,并发表了报告。年月,在挪威的市,国际隧道协会召开了关于水中悬浮隧道为主题的国际会议】年,日本成立了水中悬浮隧道研究协会,该协会与日本的北海道大学和北海道发展局进行合作,并组成一个水中悬浮隧道的研究小组,针对水中悬浮隧道的结构设计和支撑系统设计做了大量的理论分析和试验研究,并且提出了日本的两个区域适合修建水中悬浮隧道:一个是连接日本的北海道和本州岛的跨越喷火湾的水中悬浮隧道;另一个是跨越日本北海道渡岛半岛东侧大湾的水中悬浮隧道美国也展开了水中悬浮隧道的研究,其主要是针
18、对无水流的内陆湖,提出了,简称.静水悬浮隧道.嘧玛 的概念】。我国也对水中悬浮隧道展开了一些研究工作,年在舟山大陆连岛工程中提出了水中悬浮隧道的设想,以连接连岛工程中难度最大、海水最深、长度最长的金塘海峡长度约为、平均水深约、最大水深约。年月浙江省科技厅与意大利政府签署了有关合作协议,以舟山大陆连岛工程的金塘海峡为背景,展开了金塘海峡水中悬浮隧道的可行性研究。年由浙江省科技厅牵头,浙江大学、同济大学、浙江省交通规划设计研究院、国家海洋局第二海洋研究所等单位联合组团去意大利,与有关专家就悬浮隧道的截面设计、设计标准及其他关键性技术问题进行了探讨【。年底,意大利方面组织专家对我国进行访问,双方专家
19、就金塘海峡水中悬浮隧道的设计概况、结构分析理论、施工工艺、工程造价及综合评价等问题进行了交流及探讨。年月中国科学院力学研究所与意大利的阿基米德桥综合公司就开展悬浮隧道的合作研究签署了“中意觚联合实验室合作计划协议。综上所述,水中悬浮隧道的研究欧洲起步最早,已处于世界领先水平,研究范围包括整体设计、计算理论、模型试验、设计方法、设计准则和施工方法等。美国和日本则利用自己的海洋工程技术,对水中悬浮隧道也进行了较为深入的研究。而我国对水中悬浮隧道的研究起步较晚,还处在研究的初级阶段,但是起点较高,极有可能建成世界首条水中悬浮隧道。.水中悬浮隧道的研究进展水中悬浮隧道是一项涉及多门学科和专业的课题,与
20、一般的水工结构和近海工程结构不同,在其实际使用阶段之前还需要解决的关键性技术问题主包括:现第一章绪论场海洋自然环境的收集,如地质、地貌、水文等;设计标准和荷载状况的研究,特别是水流和波浪荷载对水中悬浮隧道作用的研究;结构分析方法和设计理论依据的研究;截面形状和主要构筑物的研究,尤其是关于管段接头型式和支撑系统的研究;深水施工关键工艺和程序的研究,包括管段的定位、基础的施工、锚固等;以及悬浮隧道可能引起的潮汐变化、生物成长过程的动态模拟和运营阶段的维修等方面的问题。作为一种新颖的结构形式,应在其设计、施工、运营各阶段提出明确的标准和规范,本节综述了国内外对水中悬浮隧道结构分析方面的研究进展,为我
21、国对水中悬浮隧道展开进一步研究提供一定的参考。本节将从管体结构、锚固体系和模型试验等几个方面详细阐述目前有关悬浮隧道结构分析的研究现状。.管体结构研究.【】等提出了采用弹性支撑梁作为分析水中悬浮隧道力学行为的计算模型,该模型假定:水中悬浮隧道的力学特性符合.梁理论:将锚索看作是弹簧单元;锚索间距为一恒定值。显然,上述模型在静力响应问题分析中是可行的,但是在动力问题的分析中是否依然有效,则有待于进一步的验证。.幻等采用上述模型分别进行了水中悬浮隧道的自由振动和强迫振动分析,认为当肼/日.七为支撑的弹簧刚度,厅为支撑间距;日为梁的弯曲刚度时,采用上述模型对水中悬浮隧道进行动力分析时仍是有效的。.和
22、.【采用空间梁单元,忽略了轴向变形和扭转特性,建立了水中悬浮隧道设计方案的有限元模型,来分析其在地震荷载作用下的响应。干滂【】在三维实体等参元的基础上,通过引入板壳的基本假定构造出实体退化板壳单元,在实体退化板壳单元的基础上,通过对层合板壳单元截面的分层分段,引入“虚拟层概念,提出了“虚拟层合单元,并采用虚拟层合理论对悬浮隧道进行空间整体分析。计算结果表明,虚拟层合单元能比较精确地描述结构的几何截面特性,特别是有复杂截面形式的水中悬浮隧道,该单元的出现为具有复杂截面形式的水中悬浮隧道的受力分析提供了强有力的工具。麦继婷等【。】将悬浮隧道及锚固系统简化为空间梁系结构,采用空间梁单元的列式法,建立
23、悬浮隧道结构的有限元力学模型,在分别考虑水流、波浪和波流与结构相互作用的条件下,讨论了在水流及波流作用下悬浮隧道系统的响应计算方法,在不同表面流速、波浪入射角、隧道断面形式和支撑形式下,对水中悬浮隧道动态响应及支撑所受应力进行了分析。此外麦继婷等【】还将单跨水中悬浮隧道简化为简支梁,考虑了结构的粘性阻尼和非线性流体阻尼,采用伽辽金第一章绪论 法和数值积分法,对水中悬浮隧道在波流作用下的动态响应进行了分析估算。谢立广【运用.梁理论,用弹性梁模拟隧道管体,忽略梁的剪切变形、轴向变形和扭转,用弹性铰模拟管段接头,对水中悬浮隧道结构体系进行了静力分析和动力分析。.锚固体系研究目前水中悬浮隧道的支撑体系
24、主要有三种:锚索式、浮筒式和固定支撑式,而对锚固体系的研究也集中在锚索式水中悬浮隧道。和.【】考虑到锚索单元在变化的轴力作用下会产生横向的振动,从而使锚索单元产生非线性。为此,和.对水中悬浮隧道的锚索单元采用平面铰接杆单元来模拟,该单元具有个自由度的,如图.所示。在对平面铰接杆单元的计算过程中,引入了如下假设:相对于杆的长度而言,假设单元的扭转和横向位移很小;假定单元的轴向变形很小,沿杆长度方向为常数,且为单元结点位移的二次函数;单元处于弹性阶段;单元横向位移曲线为正弦曲线。 摹。图.整体坐标系下得五自由度平面铰接杆单元. 舶 唧 盯柚.【】等以海峡水中悬浮隧道初步设计方案为基础,对不同锚第一
25、章绪论.】等对采用倾斜锚腿锚固的水中悬浮隧道进行了研究,在极限波浪荷载条件下,隧道的锚腿可能会出现突然的松弛或拉紧的现象。.等认为锚腿的这种变形会产生非线性恢复力,并对锚腿在不同浮重比和不同倾角下的非线性恢复力进行了研究。葛斐和洪士友【将水中悬浮隧道锚索结构简化为受张力的简支梁,引入如下假设:忽略了沿锚索长度方向张力的变化;假定波浪、水流沿同一方向,水流为均匀流;沿锚索长度方向,锚索的尺寸和材料特性不变。麦继婷等将水中悬浮隧道的张力腿简化成竖向的简支梁,采用伽辽金法和数值积分法,同时考虑了非线性流体的阻尼和流体的参数激励,运用软件对水中悬浮隧道的张力腿一阶涡激动力响应在不同的参数激励频率所产生
26、的影响进行了分析评价【】。.模型试验研究模型试验是科学研究的重要手段之一,正确的试验模型可以为结构分析提供数据和结论,可以验证数值计算方法的有效性和正确性,因此,模型试验是研究中必不可少的环节之一。【】等以日本喷火湾拟建的水中悬浮隧道工程的设计为背景,依据重力相似准则在波浪池中进行了模型实验,模型长度比尺为.:,主要研究了规则波和不规则波对水中悬浮隧道的作用,并对波浪作用下水中悬浮隧道的动力响应特性进行了相应的数值分析。在拟建的挪威赫格峡湾水中悬浮隧道工程计划中,设计小组已完成了流体动力荷载对隧道结构影响的模型实验,并进行了相关的数值研究及环境荷载定位【。干滂【以浙江舟山金塘海峡水中悬浮隧道设
27、计资料为研究背景,进行了悬浮隧道的节段模型试验,目的是为了了解在波浪和水流荷载作用下的水中悬浮隧道的空间应力分布,并对其所提出的在水中悬浮隧道结构的整体分析中多采用的虚拟层合单元理论进行了验证。该模型使用的材质是姗厚的有机玻璃,长.,宽.,高.,模型的锚索采用直径【的不锈钢丝,通过粘结在模型管体上的索眼构件与模型相连,为了防止模型发生渗漏水,在模型的两端设置有砌厚的工程塑料隔板。王长春【】通过室内管段模型试验,研究洋流与水中悬浮隧道的相互作用。使用黑塑料模拟混凝土结构真实管道,锚索采用直径的钢丝进行模拟,并以有限元分析为基础进行了流体.结构耦合的数值分析。孙胜男【】通过水中悬浮隧道地震响应的模
28、型试验,分析了悬浮隧道地震时的反应特点,以及悬浮隧道地震响应的影响因素。隧道管体模型采用聚氯乙第一章绪论烯材料制作,整个模型长,外径.,壁厚啪,锚索采用直径.、间距为的钢绞线模拟,考虑到水下试验的防漏要求,悬浮隧道的两端采用板密封。.其他相关研究谢立广【等通过解析方法和数值方法对悬浮隧道管段接头的力学特性进行了分析,影响管段接头力学特性的因素主要有结构尺寸、接头部件的材料特性和管段水力压接的初始状态等。林祥金和李静【】运用蒙特卡罗方法、层次分析法和神经网络方法等基本理论对水中悬浮隧道风险进行了定量的分析,为水中悬浮隧道风险管理提供了有效的分析工具。孙胜男和陈健云【等对水中悬浮隧道在地震作用下的
29、动力响应进行了分析,分别分析了不同海底岩土参数及不同频率和入射方向的波和波对悬浮隧道所受的动水压力的影响。董满生和葛斐等冽采用混合法研究张力腿定位的曲线形水中悬浮隧道的温度内力,认为温度升高导致隧道膨胀或收缩所产生的轴向力很小,主要是径向力,同时还会产生扭矩和弯矩。.论文研究内容和技术路线由于我国在水中悬浮隧道的研究方面还处于起步阶段,并且对水中悬浮隧道的研究主要集中在总体概念的设计方面,对其基础应用方面的研究存在严重的不足,例如,水中悬浮隧道设计荷载和设计标准的研究,结构形状、截面形状和主要构筑物的研究,结构的线性、非线性方面的研究,结构的静力响应分析和动力响应分析,结构的设计理论、设计方法
30、的研究,深水基础的施工关键工艺和程序的研究,隧道运营安全性问题方面的研究,隧道运营阶段的维护与维修方面的研究,针对性的模型试验研究等。针对水中悬浮隧道的研究现状、进展以及所存在的研究不足,本文主要在水中悬浮隧道的设计荷载和结构的截面形状方面进行了以下内容的研究:介绍了水中悬浮隧道的概念、特点、发展历程及结构分析的进展。从隧道管体结构、隧道支撑锚固体系、隧道的模型试验等方面介绍了国内外对水中悬浮隧道结构分析方面的研究进展,提出了其研究方向和应重点研究的关键性技术问题,以为我国进一步开展有关研究和制定相关标准和规范时提供参考;对作用在水中悬浮隧道上的荷载进行总结,并对作用在水中悬浮隧道上的第一章绪
31、论波浪力和水流力的计算进行详细分析;采用空间梁单元法,建立水中悬浮隧道结构的有限元力学模型,通过大型有限元分析软件分析流速、张力腿角度、悬浮深度对椭圆形,.、椭圆形玎.、椭圆形,.、椭圆形刁.、椭圆形叩.、圆形和多边形断面的水中悬浮隧道的影响,根据水中悬浮隧道的整体受力状态,对不同断面的水中悬浮隧道进行综合评价,确定合理的断面形式,并给出水中悬浮隧道设计的合理建议;利用流体计算软件程序进行水中悬浮隧道的绕流场模拟,对椭圆形,.、椭圆形,.、椭圆形瑁.、椭圆形,.、椭圆形玎.、圆形和多边形断面在不同水流流速下的压力场与速度场的对比分析。深海悬浮隧道的荷载组合与效应分析的研究路线如图.所示。图.深
32、海悬浮隧道的荷载组合与效应分析技术路线. “ ”觚锄 唱 第二章作用在水中悬浮隧道上的荷载分析第二章作用在水中悬浮隧道上的荷载分析.荷载分类水中悬浮隧道作为一种新型的海洋工程结构物,其主要适用于内陆湖和海峡,由于海峡的自然环境条件要远比内陆湖恶劣得多,所以一般对水中悬浮隧道环境作用的研究主要针对海洋的环境条件。对水中悬浮隧道结构产生影响的外部环境现象涉及的内容相当广泛,其中物理环境包括气象学中的气温和风等因素;海洋水文包括波浪、潮汐、水流、海啸、海冰等现象:海岸周边的地理地貌及海底地基基础的力学性能,海底泥沙的运动,海岸的变迁等:化学环境包括管段和支撑系统的腐蚀现象;海洋生物学包括海洋生物附着
33、在水中悬浮隧道上的现象【】。由于海峡恶劣的自然环境使得水中悬浮隧道所受到的荷载作用极为复杂,我们在对结构进行力学分析前,首先必须确定其所处的环境及所受到的荷载。荷载的确定是水中悬浮隧道进行设计、施工的基础,同时也对工程造价、风险性分析和使用寿命等起着举足轻重的作用。根据水中悬浮隧道所处的环境,一般认为作用在水中悬浮隧道上的荷载可以分为环境荷载、永久荷载、功能荷载、变形荷载和偶然荷载等五种。具体的荷载分类及产生的原因如表.所示【。表.水中悬浮隧道上的荷载.荷载种类 产生原因环境荷载 波浪、水流、涡流、潮汐等产生的荷载永久荷载 结构自重、静水压力功能荷载 交通、施工、压仓荷载等温度改变、不均匀沉降
34、、蠕变、收缩、变形荷载施工引起的残余应力等地震、交通事故、沉船、爆炸、船只碰撞等产生的偶然荷载荷载浮隧道所受的各种荷载中,除结构自重和所受的静水压力必须考虑外,波浪、:流、涡流等环境荷载与汽车荷载相比要大得多,最具破坏力,往往是悬浮隧道 计时最重要的控制荷载,因此永久荷载、波浪力和水流力等是水中悬浮隧第二章作用在水中悬浮隧道上的荷载分析道计算所必须考虑的基本荷载。故本文主要对波浪所产生的荷载与水流所产生的荷载进行了初步的分析。.波浪理论在海洋工程中,波浪是其所受的最主要的荷载之一,人们在很早以前就开始了对波浪的研究。自然界中波浪的运动非常复杂,目前对波浪的研究一般从两个方面进行,一是对于简单的
35、波浪运动,从流体力学方面加以研究,研究液体内部各质点的运动特征,称之为规则波浪理论。另一个是对复杂的随机波浪运动,将波浪运动看成是随机的过程,研究波浪运动的随机性,从而了解波浪运动过程中其内部的波动能量分布特性,从统计学的角度对流体内部所有水质点的运动特征进行描述,研究波浪对海洋工程的影响,同时还需要运用到流体力学理论,对液体内部质点在理想波动状态下的运动特点进行描述,称为随机波浪理论【】【】【】。规则波浪理论是运用流体力学理论揭示液体内部质点的运动本质,如在波浪运动过程中的水质点压力分布和速度分布等,为研究作用在海洋工程结构上的波浪力以及波浪所引起的结构运动等提供理论基础,进而为海洋工程结构
36、的设计提供理论依据。规则波浪理论包括解析法和数值法两种方法,解析法主要是由经典的波浪理论构成,又可以分为线性波浪理论和非线性波浪理论。线性波浪理论适【,用于波幅或波高相对于波长为无限小时,即等一般在.一下,其中日为,波高,为水深及数%半寻其中为波峰项端处于水面以上的升高,三为波长,一般在实际工程中通常采用微幅波理论来分析波浪力对结构的作用。工程中常用的非线性波浪理论有:司托克斯波理论、椭圆余弦波理论、孤立波理论和摆线波理论。由于计算机的出现以及数值方法的发展,是数值波浪理论的应用的得到了一定的发展,而工程中应用较为广泛的数值方法为流函数理论。经过人们对波浪进行大量的观测数据的统计,并对数据进行
37、仔细的分析后,发现海浪是一种随机现象,可以利用概率统计理论进行研究,于是随机波浪理论在此基础上应用而生。波浪理论的分类见图.。第二章作用在水中悬浮隧道上的荷载分析图.波浪理论的分类. 旧蘸:巧由于目前的海洋工程计算普遍采用的是规则波浪理论,且以解析法中的线性理论应用最为广泛,所以本节在介绍波浪理论时主要介绍了规则波浪理论的一些基本内容。.线性波浪理论 波理论小振幅波对波浪的运动进行了简化,是一种比较最简单的波浪运动,在共水面呈现出简谐形式的起伏,流体中的水质点作简谐运动,并且其运动的圆频率彩是固定的,同时波是以一定的速度称为波速向前传播,波浪中线与静水面相互重合。一般说来,海洋中实际发生的波动
38、都不能用简单波动来描述,但这种简单的波动分析,对解决较复杂的波动问题仍是十分必要的,它是研究复杂的有限振幅波和随机波的基础。线性波的速度势函数认五,为:.认删等?篙铲缸训在流体内部的各点,处水质点运动的水平方向的分速度“分速度为,:“:鲤:壁丝.丝生望生一耐礅 配:鲤:丝.坐垡望觑一耐毖 彩动捌在微幅线性波浪理论中,可以将流场内由于各点速度不同而弓第二章作用在水中悬浮隧道上的荷载分析忽略,这样在流体内部点,处水质点运动的水平分加速度口,及垂直分加速度口:为:.厶 口,:塑丝:塑.丝型尘虹一研口.一?二?二腻一研 “班 研 ,膨.厶口.:生孚:一丝.业觑一研、 口.一一一?二?一耐 出 国 脚波
39、动水域内任一点,处的压强为:.石:一铲丝竺.丝丛型觑一耐懈手。赢产觑一耐 ,.有限波幅理论波理论当波面的振幅很大时,运用线性波浪理论求解时将会产生一定的误差,因此需要寻求更为高阶的解,而有限波幅理论就是解决这个问题的。关于这方面的研究,是由最早进行的,在年发表的一篇论文中用一个级数来表示波浪运动的速度势函数,然后在水面处将该级数展开,并使该函数满足非线性的波面边界条件,这样就可以得到有限水深情况下的二阶近似解和无限水深情况下的三阶近似解。其后在年,又发表了第二篇关于这方面研究的论文,在这篇论文中他使用了另外一种方法研究了有限水深情况下的三阶近似解和无限水深情况下的五阶近似解。由于在工程上二阶近
40、似有限波幅理论运用较为广泛,因此本小节只介绍求解二阶近似解的相应公式。有限波幅理论的速度势函数,为:烈删警?篙笋奴刮警篇血缸侧. 晓 敞在流体内部的点,处水质点运动的水平方向的分速度“及垂直方向的分速度为:、 、 ”警等?篙笋嘁缸训警筹础缸刮旺, 氖 彩 动埘 幽材、 、 甜警等?警呱侧警器础缸刮眨, 昆国删 妫埘在有限波幅理论中,仍然将流速场内由于各点的速度不同而引起的加速度项省略,这样在流体内部的点“力处水质点运动的水平方向分加速度口,及垂直方向分加速度口.为:第二章作用在水中悬浮隧道上的荷载分析、 。 、 。鲁等竽?堕鬟笋;缸一卅吾脚彘缸一硼 改 、 。矗.聍磁.、 、 、 呸罢害竽?訾
41、贴训蝌者硼缸训 。破 办材 删.向材.波动水域内任一点,处的压强为:硎抽一等抛妇学警?,眨七、 譬氅一薹警一饼。日,妇捌、 矗材.椭圆余弦波理论波理论波浪传入近岸水域较浅的区域后,海底边界处的摩阻力影响迅速增加,波形和波高将会不断变化,波峰附近的波面将会变得非常陡。而在两个波峰之间却隔着一段很长而且非常平的水面,波陡波高与波长之比与两波峰处水流质点的运动规律的关系将减弱,相对波高波高与水深之比与其之间的关系将增强,即决定波浪运动性质的主要因素是波陡和相对波高。在对浅水区域进行计算的情形下,即使用高阶数的有限波理论,也不能达到我们所需要的精度。此时就需要采用可以考虑了波陡与相对波高的波浪理论来对
42、波浪的运动进行描述,这就是椭圆余弦波理论,运用该理论可以得到相应的结果。 。椭圆余弦波是指在靠近海岸线区域的水深比较浅的条件下出现的波,该波的波幅是有限的、波的周期较长长波。因为这种波的波面高度是用雅可比锄椭圆余弦函数来表示的,所以这种波被称为椭圆余弦波。椭圆余弦波理论最早是在年由和、提出的,其后由肌及,等人进一步的研究并应用于工程实践。经过多年时间的研究,在年提出了可供工程应用的一阶理论;年.鹏在一阶理论的基础上发展了二阶理论;在年又发展了三阶理论;在年便提出了用于实践工程的可以展开到任意阶数的椭圆余弦波浪理论;在年利用锄.:吮在年提出的速度势公式得到了另一种形式的椭圆余弦波理论。.孤立波理
43、论波理论线性波理论描述的是纯粹的周期波,即水质点的运动轨迹是完全封闭的且没有净位移;而非线性波理论表示出了波浪在传播方向的质量迁移,即水质点运动动时,该种波浪称为移动波,孤立波属于这种类型。在年,.首先发现了孤立波,并在年至年期间对其进行了深入的研究,在研究中他发现孤立波的剖面形状与孤立波形成的方法之间并无关系。其后,通过.,曲及.等人的进一步研究,孤立波理论得到了很大的发展,并且得出了一些重要研究成果,.在年对之前研究人员的研究成果作了总结。.色,.等人也对孤立波理论进行了一些研究,并获得了关于孤立波的高阶近似解方面一研究成果的。孤立波理论适用于水深非常浅的水域,可以将其看成是椭圆余弦波理论
44、的一种特殊情况,孤立波就是当水深趋于很小时的极限椭圆余弦波。当水深和波长的比值小于/时,波就具有长波性,有限振幅波的约束性就大大减弱。波长虽然是有限的,但当波长大到一定值时,相邻的波峰之间实际上已经没有联系;此外,当波为无限的孤立波时,其运动只是集中在波峰附近,离波峰远处的质点几乎不运动。在自然界中,纯粹的孤立波是不易形成的。但河道中出现的洪水波,或当波浪传播至近岸浅水区并接近破碎时的波面形状和运动特征与孤立波比较的接近。因此在海洋工程结构中为研究波浪的破碎水深、泥沙转移以及分析破碎波对海洋工程结构物的影响等问题中,孤立波理论就得到了广泛的应用。.摆线波理论摆线波又叫坦谷水波,它是一种有限振幅波,这种波的波峰较陡,波谷比较平坦,故又称之为坦谷水波,由于一般情况下船舶航行时所遇到的水波波高与波长之比约为/,因此,以前造船师对摆线波理论的结果运用的较为广泛,但是由于摆线波理论假定流体质点的运动是有限的,所以其在流体动力学分析时就有很大的局限性,在现在的海洋工程结构中基本上己不再使
