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        波浪作用下橢圓形橫截面懸浮隧道管段壓強(qiáng)特性試驗(yàn)

        2018-02-27 22:43:44李勤熙蔣樹屏
        隧道建設(shè)(中英文) 2018年1期

        李勤熙, 蔣樹屏, 丁 浩, 李 科

        0 引言

        近年來,我國水下隧道建設(shè)所處的水域環(huán)境和地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,水深越來越大,距離越來越長(zhǎng),傳統(tǒng)建設(shè)工法在復(fù)雜水域面臨著巨大的挑戰(zhàn),需要不斷突破和創(chuàng)新。 “鉆爆法+盾構(gòu)法”、“沉管法+懸浮法”和“盾構(gòu)法+沉管法”等組合工法已成為工程建設(shè)的備選項(xiàng)。懸浮隧道作為一種跨越深水水域的全新水下隧道概念結(jié)構(gòu)已引起世界各國的關(guān)注,國內(nèi)相關(guān)研究至今也已有20多年,在懸浮隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算理論、模型試驗(yàn)、設(shè)計(jì)指南及施工方法等方面取得了一系列成果,圍繞小比尺模型試驗(yàn)和精細(xì)化理論形成了基礎(chǔ)理論成果,在千島湖、瓊州海峽和臺(tái)灣海峽等水域也嘗試過工程應(yīng)用層面的前期研究。

        事實(shí)上,真正的懸浮隧道實(shí)踐起來困難重重,迄今為止,世界上仍沒有一例真正建成的懸浮隧道。F.M.Mazzolani等[1]針對(duì)中國的千島湖懸浮隧道開展了設(shè)計(jì)研究,列舉出建設(shè)全尺寸懸浮隧道時(shí)建設(shè)位置的選取、結(jié)構(gòu)方案和不同設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)工作和設(shè)計(jì)成果等一系列問題; R.M.Larssen等[2]針對(duì)挪威建設(shè)峽灣海中懸浮隧道工程建設(shè)時(shí)提出的張力腿式、浮筒式和柱式等多種模型進(jìn)行了研究,推薦采用浮筒式懸浮隧道跨越; F. Perotti等[3]從懸浮隧道和懸索橋均為柔性結(jié)構(gòu)體系的共同點(diǎn)出發(fā),回顧了懸浮隧道動(dòng)力特性的研究成果,首次總結(jié)了懸浮隧道在低頻動(dòng)力響應(yīng)、沖擊荷載作用以及隧道內(nèi)部和外部爆炸荷載作用下的一般性原則,討論了流-固耦合作用時(shí)發(fā)生渦激響應(yīng)的危險(xiǎn)時(shí)間。從20世紀(jì)90年代開始,日本對(duì)噴火灣[4]、大阪灣等跨海通道工程的水中懸浮隧道方案進(jìn)行了重點(diǎn)研究,Shunji Kanie[5]總結(jié)了日本近20年在懸浮隧道領(lǐng)域的相關(guān)研究,并針對(duì)日本多處擬建跨海通道的海峽進(jìn)行了模型分析。目前,國內(nèi)在部分地區(qū)雖有相關(guān)工程前期立項(xiàng)策劃,但在懸浮隧道領(lǐng)域尚處于起步階段,且主要集中于基礎(chǔ)理論方面的研究[6-11]??傮w而言,國內(nèi)外學(xué)者的基本共識(shí)是在一定深度下波浪力的影響很小,可忽略不計(jì),但這一結(jié)論的前提是在表面波作用下。自然界中存在著表面波,還有海洋內(nèi)波,根據(jù)麥繼婷等[12]和Hiroshi Kunisu[13]的研究,雖然海洋內(nèi)波隨著埋深的增加量值會(huì)減小,但減小的幅度卻越來越小,在超過100 m的水深后仍有較大的波浪力。對(duì)工程而言,一方面,如果在實(shí)踐時(shí)采用純懸浮隧道方案,那么必然存在進(jìn)口段、過渡段和深埋段,無論是表面波還是海洋內(nèi)波的波浪力都會(huì)對(duì)進(jìn)口段和過渡段產(chǎn)生影響; 另一方面,如果采用組合式工法,就必然存在接駁問題,那么就必須衡量波浪力的大小以確定最佳接駁位置。因此,從技術(shù)上和工程上來看,波浪力值得研究。

        由于數(shù)值模擬和試驗(yàn)條件的局限性,目前關(guān)于波浪力的物理模型試驗(yàn)并不多。Hiroshi Kunisu等[14]通過物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種跨越北海道Funka灣的SFT結(jié)構(gòu),在一個(gè)二維波浪水槽中產(chǎn)生規(guī)則波浪,通過改變?cè)囼?yàn)水深、波浪要素進(jìn)行了工況組合試驗(yàn); S.H. Oh等[15]也通過波浪水槽中的規(guī)則波物理試驗(yàn)研究了SFT在波浪作用下的水動(dòng)力特性,不同的是其首次在試驗(yàn)測(cè)試中應(yīng)用了結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖像識(shí)別技術(shù); 王廣地[16]雖然研究了波流作用下懸浮隧道的結(jié)構(gòu)響應(yīng),但限于試驗(yàn)條件,其研究主要集中在水流作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),并沒有考慮波浪。本文以瓊州海峽跨海通道為試驗(yàn)背景,設(shè)計(jì)了一種橢圓形雙向6車道公路交通懸浮隧道,研究了橢圓形斷面懸浮隧道在波浪作用下的結(jié)構(gòu)波動(dòng)特性,以期為新結(jié)構(gòu)形式懸浮隧道的繼續(xù)優(yōu)化和開發(fā)提供思路。

        1 波浪水槽試驗(yàn)

        1.1 相似準(zhǔn)則

        懸浮管段在水中主要受波浪力、洋流力和地震等荷載的作用。根據(jù)Mirosion方程計(jì)算的波浪力主要包括慣性力和阻尼力。對(duì)于動(dòng)力試驗(yàn),應(yīng)滿足Froude相似和雷諾相似,事實(shí)上,同時(shí)滿足這2者相當(dāng)困難。參考船舶流體力學(xué)試驗(yàn)和傳統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),根據(jù)波浪要素、設(shè)計(jì)水位、試驗(yàn)斷面和試驗(yàn)設(shè)備,并考慮水力試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)和試驗(yàn)場(chǎng)地的現(xiàn)實(shí)條件,綜合確定模型試驗(yàn)比尺為1∶60,采用正態(tài)模型。模型試驗(yàn)管段、錨索和波浪應(yīng)滿足以下準(zhǔn)則。

        1.1.1 管段相似

        管段相似應(yīng)根據(jù)幾何相似、質(zhì)量相似進(jìn)行設(shè)計(jì)。參考大量的船舶流體力學(xué)試驗(yàn)和傳統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn),管段材料選用有機(jī)玻璃,以便對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行觀察; 管段質(zhì)量相似主要是利用浮重比進(jìn)行控制,本試驗(yàn)的浮重比設(shè)計(jì)為1.3。本試驗(yàn)是水槽中的管段斷面試驗(yàn),因此認(rèn)為管段的剛度足夠大,暫不考慮流體和管段結(jié)構(gòu)的剛度比,但在開展水池平面試驗(yàn)時(shí)需考慮。長(zhǎng)度比尺、時(shí)間比尺、壓強(qiáng)比尺計(jì)算公式分別為

        (1)

        Tr=λ1/2;

        (2)

        Pr=λ。

        (3)

        式中:L、B、H分別代表坐標(biāo)系中長(zhǎng)、寬、高的3個(gè)方向;Lp、Bp、Hp為實(shí)際長(zhǎng)度;Lm、Bm、Hm為模型長(zhǎng)度;λ為模型比尺,λ=60;Tr為時(shí)間;Pr為壓強(qiáng)。

        1.1.2 錨索模擬

        錨索屬于非剛性結(jié)構(gòu),按受力變形相似和質(zhì)量相似進(jìn)行模擬。錨索模型應(yīng)與原型的拉力-伸長(zhǎng)關(guān)系曲線相似,根據(jù)JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》,確定模型錨索拉力-伸長(zhǎng)關(guān)系為

        (4)

        式中:Tm為模型錨索拉力,N;CP為原型錨索彈性系數(shù),對(duì)于鋼纜CP=26.97×104MPa;dp為原型錨索直徑,m; ΔS/S為原型錨索相對(duì)伸長(zhǎng),S為原型錨索初始長(zhǎng)度;n為指數(shù),對(duì)于鋼纜可取1.5。

        根據(jù)JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》,纜繩的質(zhì)量相似按式(5)進(jìn)行計(jì)算:

        (5)

        1.1.3 波浪相似

        波浪模擬滿足重力相似條件,不規(guī)則波譜采用JONSWAP譜,其表達(dá)式為:

        (6)

        fp為譜峰頻率;Hs為有效波高,m;Tp為譜峰值周期,s;γ為譜峰值參數(shù),取γ=3.3。

        1.2 試驗(yàn)方法

        本文按照雙向6車道設(shè)計(jì)了一種橢圓形斷面懸浮隧道交通結(jié)構(gòu),斷面的長(zhǎng)軸和短軸尺寸分別為45.0 m和19.0 m,如圖1所示。目前,世界上尚未見已建成懸浮隧道工程的報(bào)道。本文以瓊州海峽為工程背景,采用瓊州海峽的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行研究,瓊州海峽全年中浪(波高1.25~2.5 m)和大浪(波高2.5~4 m)占波浪的80%左右[17]。為了得到可靠的波浪要素,首先對(duì)波浪進(jìn)行了濾波處理,反復(fù)試驗(yàn)后得到了滿足要求的波浪要素程序。試驗(yàn)時(shí)在計(jì)算機(jī)中對(duì)需要的波浪要素程序進(jìn)行調(diào)用,選取了3組波高、3組周期共9組工況進(jìn)行試驗(yàn),懸浮隧道工況設(shè)計(jì)見表1。懸浮隧道支撐形式為錨索式,錨索角度設(shè)置為45°,試驗(yàn)時(shí)在靜水中造波,波浪設(shè)置為規(guī)則波,并按波浪運(yùn)動(dòng)方向垂直于隧道走向的平面模型開展試驗(yàn),試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

        圖1 橢圓形結(jié)構(gòu)斷面(單位: mm)

        斷面形式車道數(shù)實(shí)際斷面尺寸/(m×m)實(shí)際波高/m實(shí)際波浪周期/s試驗(yàn)斷面尺寸/(m×m)試驗(yàn)波高/cm試驗(yàn)波浪周期/s試驗(yàn)水深/cm橢圓形641.1×13.61.211.622.413.943.616.270.685×0.22721.541.862.110

        1.3 試驗(yàn)設(shè)備

        試驗(yàn)選用中星測(cè)控公司生產(chǎn)的壓力測(cè)量系統(tǒng)和總力測(cè)量系統(tǒng),傳感器的原理均是由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,不同的是壓強(qiáng)傳感器由應(yīng)變轉(zhuǎn)化而來,而壓力傳感器靠形變量轉(zhuǎn)化。壓力測(cè)試系統(tǒng)和總力測(cè)試系統(tǒng)的主要測(cè)試參數(shù)見表2。

        為了測(cè)試水下懸浮隧道的周向壓強(qiáng),在隧道表面設(shè)計(jì)了8個(gè)均勻分布的測(cè)點(diǎn),布置在斷面的關(guān)鍵位置,如圖3所示。試驗(yàn)波浪水槽的尺寸為60 m×1 m×1.8 m(長(zhǎng)×寬×高),懸浮隧道試驗(yàn)管段長(zhǎng)度據(jù)此確定為85 cm,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖見圖4。

        圖2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)圖(單位: m)

        類型傳感器量程分辨精度/%采樣頻率/Hz壓力測(cè)量系統(tǒng)10~20kPa10.008總力測(cè)量系統(tǒng)2~30kg10.03

        (a) 錨索測(cè)點(diǎn)

        (b) 壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)

        P1—P6、P8、P9均為斷面測(cè)點(diǎn)。因原測(cè)點(diǎn)P7破壞,故采用P9代替。

        圖3關(guān)鍵位置測(cè)點(diǎn)布置

        Fig. 3 Layout of key monitoring positions

        1.4 試驗(yàn)消浪

        本試驗(yàn)為水槽試驗(yàn),水槽被分為2部分,下半部分為試驗(yàn)區(qū)域,平面布置圖如圖5所示。試驗(yàn)時(shí),當(dāng)波浪傳播至試驗(yàn)區(qū)域遇到結(jié)構(gòu)后會(huì)發(fā)生反射,反射波一部分在上方的平行水槽中擴(kuò)散,傳至盡頭的碎石處被破碎,能量耗散; 另一部分則會(huì)反射回導(dǎo)流板附近,通過波高儀可以測(cè)得反射波的波高,利用計(jì)算機(jī)控制的導(dǎo)流板對(duì)其進(jìn)行消波處理。因此,無論是傳播經(jīng)過試驗(yàn)區(qū)域的波浪還是從試驗(yàn)區(qū)域前部反射回去的波浪均得到很好的消浪處理,不會(huì)造成波浪的疊加。試驗(yàn)時(shí),每一組工況的間隔時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng),待水流穩(wěn)定后再開展下一組試驗(yàn),以防止波浪的反復(fù)疊加。

        (a) 俯視圖

        (b) 側(cè)視圖

        圖5 水槽平面布置圖

        2 主要試驗(yàn)結(jié)果分析

        由于波浪運(yùn)動(dòng)方向的差異,波浪力會(huì)在懸浮隧道斷面的不同位置形成不同的壓強(qiáng)場(chǎng)分布,包括背浪面、迎浪面、上表面和下表面。由于同一位置不同時(shí)刻壓強(qiáng)的變化和不同位置同一時(shí)刻壓強(qiáng)差的存在,使得懸浮隧道存在明顯的波動(dòng)特性。

        因此,選取懸浮隧道結(jié)構(gòu)的1號(hào)(迎浪面)、3號(hào)(下表面)、5號(hào)(背浪面)、9號(hào)(上表面)4個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,其中1號(hào)和5號(hào)主要觀測(cè)隧道迎浪面和背浪面的壓強(qiáng)變化情況。對(duì)1號(hào)和5號(hào)、3號(hào)和9號(hào)傳感器數(shù)據(jù)做差之后可以得到隧道迎、背浪面和上、下表面的壓強(qiáng)差值,據(jù)此可以分析隧道的穩(wěn)定性和安全性。

        為消除測(cè)試設(shè)備的儀器誤差,引入相對(duì)壓強(qiáng)幅值

        DP=Pi-P0。

        (7)

        式中:Pi為i時(shí)刻的壓強(qiáng);P0為初始時(shí)刻的壓強(qiáng)。

        2.1 壓強(qiáng)包絡(luò)線

        為分析懸浮隧道結(jié)構(gòu)的周向壓強(qiáng)典型變化特性,取波高6 cm、波浪周期為1.5~2.1 s以及周期為2.1 s、波高為2~6 cm時(shí)的工況,得到懸浮隧道4個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)在不同周期和波高下的壓強(qiáng)值。圖6和圖7分別示出波高6 cm不同周期下和周期2.1 s不同波高下的懸浮隧道壓強(qiáng)包絡(luò)圖。為使試驗(yàn)結(jié)果可靠,從足夠長(zhǎng)的時(shí)刻(t=60 s)開始取測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)。

        試驗(yàn)分別測(cè)試了2~6 cm波高和1.5~2.1 s周期的工況,現(xiàn)以6 cm波高和2.1 s周期為例進(jìn)行分析。在6 cm波高工況下,迎浪面達(dá)到波峰時(shí)壓強(qiáng)絕對(duì)值隨周期的增大而減小,迎浪面達(dá)到波谷時(shí)壓強(qiáng)絕對(duì)值也隨周期的增大而減?。?在2.1 s周期工況下,迎浪面達(dá)到波峰時(shí)壓強(qiáng)絕對(duì)值隨波高增大而增大,迎浪面達(dá)到波谷時(shí)壓強(qiáng)絕對(duì)值也隨波高的增大而增大。迎浪面的波峰波谷時(shí)刻各方向的壓強(qiáng)相差較大,壓強(qiáng)在橢圓形表面分布不均勻。表3給出了所有試驗(yàn)工況下的上下表面壓強(qiáng)差與迎背浪面壓強(qiáng)差之比。雖然不同的工況下壓強(qiáng)差之比具有隨機(jī)性,但總體而言,上下表面的壓強(qiáng)差大于迎背浪面壓強(qiáng)差。從波峰時(shí)刻來看,上下表面壓強(qiáng)差與前后表面壓強(qiáng)差的比值平均為1.88,波谷時(shí)刻上下表面壓強(qiáng)差與前后表面壓強(qiáng)差的比值平均為2.08,說明橢圓形懸浮隧道垂向穩(wěn)定性沒有水平向穩(wěn)定性好,應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

        2.2 壓強(qiáng)極值

        當(dāng)波高在2~6 cm變化時(shí),使波浪周期在1.5~2.1 s變化,得到懸浮隧道各測(cè)點(diǎn)在不同波浪周期下的壓強(qiáng)值。圖8示出迎浪面、背浪面壓強(qiáng)極值隨波高的變化曲線。由圖8可以看出,在相同周期下,迎浪面、背浪面壓強(qiáng)極值和上下表面壓強(qiáng)差極值在正壓區(qū)隨波高的增大而增大,在負(fù)壓區(qū)壓強(qiáng)極值、壓強(qiáng)差極值的絕對(duì)值也隨之增大,各測(cè)點(diǎn)正負(fù)壓強(qiáng)極值的絕對(duì)值表現(xiàn)為6 cm波高工況>4 cm波高工況>2 cm波高工況,其極值增大率平均值分別為48.5%和41.1%; 在相同波高下,壓強(qiáng)極值隨周期的增大而規(guī)律性減小,各測(cè)點(diǎn)正負(fù)壓強(qiáng)極值的絕對(duì)值表現(xiàn)為1.5 s周期工況>1.8 s周期工況>2.1 s周期工況,其極值增大率的平均值分別為9.7%和8.8%。因此,可以看出周期對(duì)壓強(qiáng)極值的影響極為有限,周期對(duì)壓強(qiáng)極值的敏感性不如波高,說明波高對(duì)懸浮隧道的水動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)于波浪周期。

        (b) 迎浪面達(dá)到波谷時(shí)刻

        Fig. 6 Comparison of pressure envelope diagrams under different wave periods when wave height is 6 cm

        (a) 迎浪面達(dá)到波峰時(shí)刻

        (b) 迎浪面達(dá)到波谷時(shí)刻

        Fig. 7 Comparison of pressure envelope diagrams under different wave heights when wave period is 2.1 s

        表3上下表面壓強(qiáng)差與前后表面壓強(qiáng)差之比

        Table 3 Ratio of pressure difference between upper and lower surface to that between front and back surface

        周期工況/s波峰時(shí)刻壓強(qiáng)差比波高2cm波高4cm波高6cm波谷時(shí)刻壓強(qiáng)差比波高2cm波高4cm波高6cm1.52.181.781.462.332.441.371.82.032.411.262.161.981.592.13.001.521.242.713.121.06

        (a) 迎浪面

        (b) 背浪面

        (c) 上下表面壓強(qiáng)差

        Fig. 8 Pressure peak variation with wave height under different wave periods

        2.3 壓強(qiáng)峰值次數(shù)

        在一個(gè)波浪周期內(nèi),懸浮隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了多個(gè)局部峰值,為討論其峰值次數(shù)變化規(guī)律,現(xiàn)以2 cm波高工況為例,在1.5~2.1 s內(nèi)變化波浪周期,得到懸浮隧道迎浪面、背浪面、迎背浪面壓強(qiáng)差和上下表面壓強(qiáng)差在不同波浪周期下的壓強(qiáng)值,如圖9所示。圖10示出2、4、6 cm波高下不同周期的迎背浪面壓強(qiáng)出現(xiàn)峰值次數(shù)的比較。由圖10可知,迎背浪面壓強(qiáng)出現(xiàn)峰值次數(shù)的規(guī)律表現(xiàn)為: 2.1 s周期工況>1.8 s周期工況>1.5 s周期工況。

        (a) 迎浪面

        (b) 背浪面

        (c) 迎背浪面壓強(qiáng)差

        (d) 上下表面壓強(qiáng)差

        Fig. 9 Pressure variation with wave period when wave height is 2 cm

        (a) 波高2 cm

        (b) 波高4 cm

        (c) 波高6 cm

        Fig. 10 Comparison of peak times of wave face and wave back face under different wave periods

        由圖8可知,無論是從正壓區(qū)還是負(fù)壓區(qū)來看,短周期波浪的壓強(qiáng)絕對(duì)值總是大于長(zhǎng)周期波浪。由圖9可知,對(duì)于長(zhǎng)周期波浪,波浪力產(chǎn)生的壓強(qiáng)接近正弦變化; 對(duì)于短周期波浪,壓強(qiáng)響應(yīng)不再是協(xié)調(diào)的,但仍然保持一定的周期變化,波浪力變化趨于復(fù)雜。而圖8又表明,短周期波浪相比長(zhǎng)周期波浪強(qiáng)度更大,變化更復(fù)雜。由圖10可知,長(zhǎng)周期波浪周期內(nèi)出現(xiàn)的峰值次數(shù)最多,絕對(duì)量值沒有短周期波浪大。因此,短周期波浪對(duì)隧道穩(wěn)定性影響更為顯著。

        3 結(jié)論與討論

        1)從瞬時(shí)時(shí)刻的懸浮隧道結(jié)構(gòu)壓強(qiáng)包絡(luò)線來看,壓強(qiáng)隨波高的增大而增大,隨周期的增大而減小。懸浮隧道結(jié)構(gòu)的垂向穩(wěn)定性低于水平向,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

        2)周期變化對(duì)壓強(qiáng)極值的影響小于波高變化對(duì)壓強(qiáng)極值的影響,波高是結(jié)構(gòu)所受壓強(qiáng)絕對(duì)值的主要影響因素之一。

        3)短周期波浪的破壞力要大于長(zhǎng)周期波浪,表現(xiàn)為峰值大、影響快,而長(zhǎng)周期波浪雖然影響時(shí)間略長(zhǎng),但峰值不大。在不同的波高下,峰值出現(xiàn)次數(shù)的規(guī)律為2.1 s周期工況>1.8 s周期工況>1.5 s周期工況。

        4)限于試驗(yàn)條件,本試驗(yàn)僅測(cè)試分析了懸浮隧道管段的壓強(qiáng)變化特性,未來應(yīng)在管段壓強(qiáng)測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)一步測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和不同錨索布置形式的受力特性,并對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行試評(píng)價(jià)。

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