水下悬浮隧道缆索动力响应与腐蚀疲劳研究

发布时间：2020-03-19 03:03

【摘要】：随着经济的不断发展和交流的不断深入,如何快速安全地跨越江河湖海成为了人们越来越关心的问题。目前,桥梁仍然是跨越式结构的主要形式,但由于其对两岸的地形要求较高,在一些险峻的地方无法实现桥梁通行。沉管隧道是另一种跨越式结构形式,虽然它对两岸地形要求较低,但由于隧道埋入海底,对水深以及海底土质的要求较高,也不具备广泛的实用性。作为一种新型的交通结构,水下悬浮隧道已经受到了许多相关人员的重视。在水下结构所受的载荷会出现没有规律、不可控制的变化,水下悬浮隧道的稳定性和安全性是目前需要亟待解决的问题。本文在对大量国内外文献进行查阅的基础上,主要针对水下悬浮隧道的锚固结构——缆索进行了参数响应、腐蚀疲劳等方面的分析,主要研究内容如下:(1)对比分析了水下悬浮隧道的不同类型和不同的缆索布置方法,并根据琼州海峡的实际海况,最终决定锚索式以及倾斜布索的方式。(2)对水下悬浮隧道缆索的振动响应进行了数值模拟分析,在控制参数激励相同的情况下,当海流流速达到4m/s时缆索的振动达到最大值,发生涡激锁定;在控制流速相同的情况下,当参数激励频率为缆索固有频率的2倍时,缆索的振动响应幅值最大。(3)利用Palmgren-Miner线性累计损伤理论以及S-N曲线这两种手段针对水下悬浮隧道缆索寿命进行计算以及总结,将隧道-缆索耦合模型柔性结构动力学方程式作为利用手段,来研究并计算出缆索的应力幅值。采用多阶段的腐蚀疲劳模型,再额外加上钢丝镀锌层的腐蚀时间来对缆索的疲劳腐蚀寿命进行评估,从计算结果来看,腐蚀会在很大程度上加快疲劳的产生,使缆索的寿命降低。(4)讨论了新型材料CFRP的主要力学性能和在水下悬浮隧道领域中的应用,结合缆索的振动方程对比了CFRP缆和钢缆的振动情况。发现在不考虑阻尼的情况下,钢缆无论从振动幅值还是振动频率来讲都具有更加优秀的性能,但在考虑了阻尼之后,CFRP缆的振动幅值出现明显下降,比钢缆更低,不过振动频率仍然高于钢缆。
【图文】：

隧道,沉管隧道,海底隧道,悬索桥

因就是其体积排开水所产生的浮力大于其重力，与此同时采用钢缆实现固定目标，避免浮力过大所造成的上升现象，减少水面船只所受到的影响。结合全球范围之内的现状来看，并没有出现一座完整的水下悬浮隧道，造成这一问题的主要因素是技术层面的缺失以及隧道安全性的不完善等等。在日后的时间内，人们出行会由于水下悬浮隧道真正的建成而得到非常大的便利。1.1.2 水下悬浮隧道的起源与发展水下悬浮隧道的概念主要是来源于浮桥和近海结构技术，，其施工与沉管隧道基本相同。一种方法是在干船坞中分段建造管道，然后再将其密封下沉；另一种方法是在施工现场直接建造管道，待管道焊接完成后使用抽水泵将管道内的水抽出，然后采用压载物使结构整体达到静力平衡（即隧道整体大约与水的密度相同），而沉管隧道则是采用压载物使隧道整体沉入海底。当然，这也意味着水下悬浮隧道必须锚定在水中或者水面上以保持其位置（主要取决于隧道结构整体平衡点的位置）。

示意图,悬浮隧道,海峡,内部结构

另外，环境因素如洋流和温度等也会对施工产生影响。（6）施工和运营中存在许多风险和不确定因素。如何识别和控制这些风和不确定性，包括投资风险、设计风险、施工风险、自然灾害、极端事件、运管理风险等，具有重要的理论意义和工程指导意义。1.3 水下悬浮隧道在国内外的研究概况1.3.1 水下悬浮隧道在国内的研究概况1999 年，在浙江舟山的大陆连岛工程中，由于金塘海峡两岸地势陡峭，无通过架设桥梁来实现两岸的通行，所以第一次提出了水下悬浮隧道的方案。但当时由于国内几乎没有任何机构或者个人对水下悬浮隧道展开过研究，所以研工作暂时停止。第二年，通过各方的协调和帮助，中方同意大利相关机构达成议，开始共同对在金塘海峡建设水下悬浮隧道进行技术可行性研究[9]。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U459.5

【相似文献】