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水中悬浮隧道与洋流耦合作用的模型试验

王长春  
【摘要】:目前,许多固定的跨水通道如桥梁、浮桥、海底隧道和沉管隧道等已经修建了,然而,当两岸距离较远、水体较深时,这些传统的结构就不太可行了。水中悬浮隧道为跨越深水水域提供了一种新的选择,这种结构形式可以用来连接陆地和海峡,水中悬浮隧道不是一种嵌入式结构,而是悬浮于水中一定深度,并通过锚固系统锚固到水床上来维持结构的稳定。 本文首先简要地介绍了洋流的一些基本理论,又分析研究了波浪和水流对水中悬浮隧道的联合作用,同时也介绍了模型试验的基本原理及其优缺点,以及该管段模型试验所要考虑遵守的流体相似准则。利用室内管段模型试验的方法,来模拟洋流与水中悬浮隧道的相互作用,通过调节水泵功率以及整流板的过流面积,模拟出水中悬浮隧道管段所处的不同洋流环境条件,同时也采用了以有限元为基础的数值模拟方法(2-D),对模型试验中的洋流与水中悬浮隧道管段进行流体——结构耦合模拟,数值试验模拟了六种不同的工况条件。 通过对这两种方法的计算结果进行分析,得出了水中悬浮隧道管段结构的受力及变形随水流流速的变化规律,即在试验流场条件下,管段结构的轴力、弯矩的变化值随水流流速的增大而增大,但管段迎流面一侧的轴力随水流流速的增大而减小,管段结构外侧的环向变形较内侧的大,迎流面一侧的环向变形较背流面一侧的环向变形大,同时管段结构的环向变形也随水流流速的增大而增大,而管段结构内侧与外侧、迎流面一侧与背流面一侧的轴向变形差别不大,其轴向变形也随水流流速的增大而增大,管段结构的测点位移也随流速的增大而增大,隧道管段迎流面一侧锚索的轴力随水流流速的增大而增大,背流面一侧锚索的轴力随水流流速的增大而减小,模型试验的结果发现管段结构在水流作用下,除了表现出一定的压弯特性以外,还表现出了一定的受扭特性,在相同流场条件下,每节管段采用3组锚索较每节管段采用2组锚索能有效地减小结构的位移和振动,增强结构的稳定性。最后将数值分析的计算结果与室内管段模型试验的结果进行分析比较,试验结果和计算结果符合良好。希望本文的研究成果对今后水中悬浮隧道的设计、计算能提供一些有益的参考和借鉴,并进一步地推动水中悬浮隧道的发展。


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