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悬浮隧道动力响应分析

孙胜男  
【摘要】: 悬浮隧道概念的问世时间虽然短暂,然而由于它在跨越深水域时的明显优势,悬浮隧道现已得到世人的广泛关注。悬浮隧道一般由悬浮在水中的管体组成,由浮力保持在适当的位置上,通过合理的锚固系统如锚索或张力腿锚固在海床上。因此,相对传统隧道而言,悬浮隧道在环境荷载作用下更容易产生振动。 悬浮隧道的振动可以分为整体振动和局部振动。整体振动是指只考虑管体的振动,不考虑锚索的横向振动;局部振动是指单根锚索的振动。本文从悬浮隧道的整体振动和锚索的局部振动两个方面出发,考虑到中国地震的多发性和锚索振动的关键性,对地震作用下悬浮隧道体系的整体动力响应以及参数激励与强迫激励作用下锚索的振动特性进行了研究分析,并对锚索的被动控制进行了初探。主要内容如下: (1)介绍了悬浮隧道的概念、特点、发展历程及结构分析进展。无论怎样的现场条件、施工方法和设计方案,必须解决结构建模和分析方法问题。因此,本文从隧道管体结构、隧道锚固体系、作用荷载、模型试验等方面综述了国内外对悬浮隧道结构分析方面的研究进展,提出了其发展方向和应专门研究的关键技术问题,以供我国进一步开展有关研究和制定相关标准和规范时参考。 (2)悬浮隧道尚未有实际结构物,模型试验不失为研究其受力特性和动力响应的重要手段。为模拟悬浮隧道-水体相互作用的真实情况,利用大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的大型水下振动台,首次进行了悬浮隧道地震响应的模型试验。根据模型试验的试验现象和数据,分析了悬浮隧道地震时的反应特点,以及悬浮隧道动力反应的影响因素。 (3)在势流理论的基础上,对悬浮隧道进行了地震响应数值分析。为确保数值模型的正确性,首先建立了贴近悬浮隧道地震响应模型试验的数值模型,将计算结果与试验结果进行了对比;然后在验证数值模型正确的基础上,参考国内外拟建悬浮隧道的设计参数,建立了悬浮隧道的数值模型,对悬浮隧道进行了模态分析和地震响应影响因素敏感性分析。 (4)为研究参数激励作用下锚索的动力响应,提出了悬浮隧道锚索-管体耦合非线性参数振动模型,建立了锚索-管体的耦合振动方程,通过伽辽金法和龙格-库塔法分析了悬浮隧道锚索在参数激励作用下出现大幅振动的可能性。鉴于锚索垂度效应的重要性,分别采用两种不同的方式来考虑垂度—求解方便、规律性强的等效弹性模量法和体现锚索垂度效应的抛物线法。 (5)将悬浮隧道锚索简化为受张力的简支梁,建立了锚索的涡激振动方程,研究了流场中锚索的多阶横向涡激振动问题,数值分析表明了锚索高阶涡激非线性振动的重要性。此外,建立了悬浮隧道锚索-管体耦合振动非线性模型,对参数激励进行了比较真实的模拟,考虑了隧道管体的运动对锚索横向振动的影响,并在此条件下探讨了流场中锚索的涡激振动问题。 (6)以锚索和粘弹性阻尼器组成的系统为研究对象,考虑锚索的垂度效应,建立了锚索-粘弹性阻尼器的振动方程,通过伽辽金法得到了系统的振动常微分方程组,然后进行复特征值分析,得到了锚索可能达到的最优阻尼比以及相应的最优阻尼器系数,分析了锚索的倾角和垂度对锚索最优阻尼比的影响。


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