水流环境下悬浮隧道管体、锚索的耦合振动效应及试验研究

Submerged Floating Tunnel (SFT), as a new transport structure which is immersed in water, is suitable to cross the long or deep waterways in which the traditional bridge and tunnel structures can not match. Hence, SFT has great potential for development. However, as the basic analysis theory and technology relative to SFT design are not mature enough, no real SFT has yet been built in the world. SFT is located in water, waves, current and tides etc. enviromental, with the exception of hydrostatic pressure action, it will subject to the ambient excitation of waves, currents, tides etc. environmental dynamic loads. The different vibrations such as parameters vibration and vortex-induced vibration are easy to occur. These vibrations will seriously threaten the structural safety and normal use.With the help of Hamilton Principle and Morison Equation, this project established motion equation of SFT with different inclined angle anchor cable under the action of current by considering interaction of current and struction. The method for calculating corresponding to vortex-induced vibration is presented to analyz dynamic reponses and different parameters impact under the action of current. A presented theoretical model and method for coupled tube-anchor cable vibration was calibrated and modified by the model experiment study. In addition, the SFT vibration control method will be researched based on the structure vibration control relative theory, and some control measures for SFT will be proposed. At the same time , the vibration control model experiment of SFT will be carried out. The above researches will provide usefultheoretical basis for the future SFT design and construction.

悬浮隧道（SFT）作为一种浸没在水中的新型交通结构物，适合跨越常规结构物所无法企及的长、深水道，具有很大的发展潜力，但由于相关的基础理论和技术研究还不够成熟，阻碍了其早日服务于人们。悬浮隧道直接处于水、波流作用环境中，除受到水的静压外，还受到波浪、海流、潮汐等环境动荷载的激励，容易出现各种振动（参数振动、涡激振动等），影响结构安全及正常使用。本项目拟通过考虑水流与结构之间的相互作用，用Hamilton原理及Morison方程研究建立悬浮隧道具有任意倾斜角度锚索、隧道整体管体-锚索耦合作用的振动方程，提出相应的涡激振动计算方法，分析其在水流作用下的动力响应，并进行参数研究，同时用模型试验研究的方法，校准和修正理论方法的参数。在此基础上，结合结构振动控制相关的理论，研究提出水下悬浮隧道振动的控制方法及相关的措施，并模型试验研究验证振动控制方法的有效性，为将来悬浮隧道的设计建造和编制规范提供理

针对水流环境下悬浮隧道管体、锚索耦合振动及相关问题，通过研究，考虑流体运动沿管体高度方向的变化，提出了基于Morison方程的分层积分方法计算管体所受波浪荷载。对涡激振动，将悬浮隧道管体-锚索视为一个振动系统，提出了简化模型，基于Hamilton原理推导了水流作用下管体-锚索系统耦合涡激振动控制方程，并对水流速度、锚索倾角、重浮比和水动力系数进行了参数分析。设计并进行了锚索节段刚性柱体涡激振动试验，测定了包括锚索自振频率、阻尼比、流体附加质量系数、阻力系数和举升力系数等重要参数。测试了在不同水流速度下锚索节段的动力响应和水动力参数的变化情况；同时，进行了不同锚索倾角和来流角度时锚索节段涡激振动试验。在此基础上，进一步设计了三种锚索涡激振动抑振装置：三螺旋线、三控制杆和整流罩，并试验探索了在多种工况下三种抑振装置的性能。考虑土体性质对驳岸段结构约束影响，研究了横向地震作用下悬浮隧道的地震响应；并对驳岸段长度、土体性质、管体浮重比等影响因素进行了参数分析。考虑悬浮隧道上部海水的影响，研究在P波作用下，理想流体层中悬浮隧道管体受到的动水荷载，导出了相关的方程，讨论其求解的边界条件，并以一座典型的悬浮隧道设计模型，进行参数影响分析。在对水流环境下悬浮隧道管体、锚索耦合振动问题研究的同时，还对悬浮隧道在冲击荷载下的动力行为和健康监测系统及框架进行了探索研究。通过将管体简化为包含水平位移、竖向位移和扭转角三个自由度的弹性地基梁，考虑流体非线性阻力作用，基于Hamilton原理和Morison方程，推导了冲击荷载作用下管体运动微分方程；其次，以千岛湖悬浮隧道原型桥为研究背景，对其在不同设计荷载组合下的受力行为进行分析，提出了悬浮隧道结构健康监测系统框架，各状态评估指标体系和传感器布置方法。.本项目的研究成果对深入了解水流作用下悬浮隧道管体-锚索系统耦合振动行为，进行相关的理论分析和参数研究，并为这类结构控制锚索的涡激振动，防止锚索的疲劳断裂、消除水流及地震波对悬浮隧道结构的不利影响提供了解决方案及理论方法，具有重要的理论学术价值，所提出的采用分层积分来计算管体所受的波浪荷载以及悬浮隧道结构健康监测系统框架对更为精准分析其受力行为，确保结构的安全可控具有重大的工程实指导意义。