懸浮隧道流固耦合動力響應(yīng)分析及試驗研究.pdf

1、懸浮隧道是一種技術(shù)先進(jìn)、環(huán)保和符合可持續(xù)發(fā)展的跨越長大水道的新型交通構(gòu)筑物。其在波浪、水流作用下的渦激共振現(xiàn)象、地震響應(yīng)分析方法及其駁岸的邊界條件的影響值得關(guān)注和研究。本文結(jié)合國家自然基金項目，從懸浮隧道渦激振動和地震響應(yīng)兩方面出發(fā)，通過考慮流固耦合作用，對懸浮隧道管體—錨索耦合振動、錨索流固耦合渦激振動、橫向地震作用下的動力響應(yīng)和豎向地震作用下作用于管體上的動水荷載進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究。主要成果如下:
　　(1)通過對懸浮隧道管

2、體-錨索系統(tǒng)進(jìn)行簡化，建立管體-錨索結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的模型，采用Hamilton原理推導(dǎo)出考慮錨索橫向振動與管體豎向振動之間相互耦合的微分方程，并進(jìn)行了方程求解。在此基礎(chǔ)上，以某懸浮隧道為例，通過設(shè)定懸浮隧道不同的設(shè)計參數(shù)和工況，分析研究了懸浮隧道在渦激力作用下的錨索和管體的耦合振動響應(yīng)。
　　(2)基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論和流體力學(xué)，通過考慮錨索振動與流場的相互影響（即流固耦合），以千島湖懸浮隧道設(shè)計方案為工程背景，采用分離式耦合法對錨索

3、在水中的自由振動及在均勻流作用下的渦激振動進(jìn)行了數(shù)值計算，得到了錨索在水中的自由振動頻率、流體線性阻尼比和分析了不同約化速度對順流向振幅、橫流向振幅、拖曳力系數(shù)和舉升力系數(shù)的影響。
　　(3)利用浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗室風(fēng)浪流綜合水槽，進(jìn)行了懸浮隧道錨索流固耦合振動的節(jié)段模型試驗，近似模擬千島湖懸浮隧道錨索流固耦合振動情況，測試得到了圓形錨索的慣性力系數(shù)、流體線性阻尼比和不同約化速度下的順流向振幅、橫流向振幅、拖曳力系數(shù)和舉升力系數(shù)，另

4、外還測試分析了錨索傾斜角度和來流角度對其渦激振動的影響。
　　(4)提出懸浮隧道錨索渦激振動抑振方法，通過參考海洋立管抑振措施，設(shè)計了三種懸浮隧道錨索的抑振裝置:三螺旋線、三控制桿和整流罩。采用模型試驗的方法，研究分析了錨索傾斜角度、來流危度的變化對各種抑振裝置的抑振效果的影響，對未來懸浮隧道錨索抑振裝置的選擇提出了建議。
　　(5)考慮橫向地震作用下懸浮隧道駁岸結(jié)構(gòu)周圍巖土性質(zhì)對邊界條件的影響，建立三向土彈簧約束的懸浮隧道

5、數(shù)值模型，采用大質(zhì)量法，結(jié)合我國東部海域海床巖土性質(zhì)，并參照意大利Messina海峽懸浮隧道設(shè)計方案的參數(shù)，研究分析了駁岸段長度Lsh、粘性土剪切模量G、錨索傾斜角度α、懸浮管體重浮比η和海水水動力系數(shù)（CD和Cm）等參數(shù)對懸浮隧道地震響應(yīng)的影響。
　　(6)針對理想流體層中的懸浮隧道管體及錨索體系，研究了動水荷載—水體受地震激勵后與管體相對運動在管體外表面產(chǎn)生的作用力。通過引入相關(guān)的假定，借助波動方程理論，推導(dǎo)了理想懸浮隧道管體