CN112064678A - 一种抑制动力响应的悬浮隧道体系 - Google Patents

Abstract

本发明涉及悬浮隧道技术领域，具体涉及一种抑制动力响应的悬浮隧道体系，包括锚固基础和锚索，还包括浮力可调节装置和两个行车管体，两个行车管体作为双向行车的载体，浮力可调节装置位于两个行车管体上方，浮力可调节装置与每个行车管体之间刚性连接，两个行车管体之间刚性连接，锚索包括第一锚索，两个行车管体分别通过第一锚索与锚固基础连接。本发明将两个行车管体与浮力可调节装置相组合，在横截面上形成三角刚性连接的稳定结构，明显提升了截面抗弯刚度和抗扭刚度，能够有效抑制水中悬浮隧道动力响应。

Description

一种抑制动力响应的悬浮隧道体系

技术领域

本发明涉及悬浮隧道技术领域，特别是一种抑制动力响应的悬浮隧道体系。

背景技术

宽阔和深水的海峡等水域对于传统大跨度桥梁和隧道工程是一个巨大的挑战，随着海洋平台、港口工程和水利工程等技术和理论的大力发展，悬浮隧道——一种创新型的跨越长深水域的交通结构物开始显示出其强大的竞争力。相比传统的桥梁与隧道工程，悬浮隧道跨度更大，且悬浮隧道处于深水海洋环境，受到外海复杂的随机波流、洋流和地震等激励作用，使得悬浮隧道工作环境更加恶劣，保证其安全平稳服役难度更大。

悬浮隧道一般由隧道管体、锚索(或水上的浮箱)、基础及与两岸连接的构筑物等组成，锚索锚固于水下基础，主要是用于将隧道管体连接到海底，可防止隧道过大的位移；锚索与锚基础共同构成锚泊系统。悬浮隧道的绝大部分作用载荷都是由锚泊系统所承担，因此锚泊系统对于悬浮隧道整体的安全运营起到了至关重要的作用，对锚泊系统的设计计算关乎整个悬浮隧道系统的经济性和安全性。此外，由于悬浮隧道处于外海深水环境，具有结构复杂化、巨型化、工作环境恶劣化、深水化等特点，这些特点对锚泊系统提出了更高的要求，并增加其操作的困难。

锚索作为锚泊系统的主要承载构件，通过锚基础与海床作用产生的锚泊力以抵抗环境载荷的作用。锚索具有大柔度、小质量及小阻尼的特性，在外海波流交变载荷作用下，其为一种极易发生振动的构件，因而悬浮隧道锚泊系统总体具有柔性大，易于振动等特点，给悬浮隧道安全平稳服役带来了严峻的挑战。

此外，当前悬浮隧道锚索的布缆形式为：a、纵向布缆形式：若干根锚索沿纵向交错布置；b、横向布缆形式，通常分为：垂直布索、倾斜布索、混合布索(垂直布索和倾斜布索的混合)、附加质量块布索和扇形布索等。这些布缆形式共同的特点是通过管体与锚固基础之间锚索的柔性约束将悬浮隧道上部结构所受到的力传递给锚固基础，而这种柔性约束不具有承受压力的能力，对管体的动力抑制能力较差，容易导致悬浮隧道管体在波流荷载下产生较大的运动，甚至可能导致锚索出现张紧松弛现象，单边锚索出现过大冲击荷载，给锚索带来很大的断缆风险。

由于锚泊系统的大柔性和易于振动的特点，目前各种悬浮隧道设计方案在复杂外海环境中的动力响应都较大，难以满足悬浮隧道常规运营和在极端载荷条件下的挠度、运动限值，无法达到浮桥或海洋船舶规范拟定的舒适性指标和安全性指标，导致悬浮隧道难以从设想变成实际工程。现有研究得出，增加管体的浮重比和增加悬浮隧道截面刚度可以有效抑制悬浮隧道动力响应(不同浮重比水中悬浮隧道动力特性的实验研究，中国力学学会工程力学编辑部,2009:609-615)。因此，有必要提出新型悬浮隧道体系，增强其在复杂外海波流环境的动力响应抑制能力，保证其安全平稳服役。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术悬浮隧道所采用的锚泊方式均为比较单一的柔性约束，由于柔性约束大柔度、小质量及小阻尼的特性，导致悬浮隧道整体结构在复杂的外海波流交变载荷作用下易于振动，动力响应大，严重制约了悬浮隧道安全平稳地运行的问题，提供一种抑制动力响应的悬浮隧道体系，通过提高悬浮隧道整体锚泊刚度，抑制水中悬浮隧道动力响应。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种抑制动力响应的悬浮隧道体系，包括锚固基础和锚索，还包括浮力可调节装置和两个行车管体，浮力可调节装置可以用来调节浮重比，两个行车管体作为双向行车的载体，浮力可调节装置位于两个行车管体上方，浮力可调节装置与每个行车管体之间刚性连接，两个行车管体之间刚性连接，锚索包括第一锚索，两个行车管体分别通过第一锚索与锚固基础连接，通过锚索将悬浮隧道上部结构所受到的力传递给锚固基础。

本发明将浮力可调节装置独立出行车管体，并将两个行车管体与浮力可调节装置相组合，并且分别两两刚性连接，因此在横截面上形成三角刚性连接的稳定结构，形成新型悬浮隧道体系。相比现有的单圆截面隧道管体而言，三角组合结构形式的悬浮隧道在截面抗弯刚度和抗扭刚度方面有明显的提升，悬浮隧道整体锚泊刚度得到提高，而且悬浮隧道整体的浮重比灵活可调，能够有效抑制水中悬浮隧道动力响应。

本发明考虑到现有的悬浮隧道管体断面设计大多采用单(椭)圆截面或者两个圆截面刚性连接的截面形式，若增加单圆截面的直径来增加截面刚度，则会导致通风功率大、空间浪费以及工程量大等，其管体自身刚度难以大幅度提升；虽然提高浮重比可以有效地抑制管体动力响应，但悬浮隧道在正常运行的工况下，海洋环境、车辆荷载等因素均会使浮重比产生一定的变化，同样地，采用单(双)圆筒截面的悬浮隧道对浮重比的调节也会带来较大的困难，而且难以稳定控制浮重比。因此，本发明通过提高悬浮隧道整体锚泊刚度，来抑制水中悬浮隧道动力响应。

优选地，两个行车管体下方设有刚性桁架，刚性桁架分别与两个行车管体刚性连接，锚索还包括第二锚索，刚性桁架通过第二锚索与锚固基础连接。在保留原悬浮隧道的柔性约束的基础上，行车管体下方增设了刚性桁架，且刚性桁架也通过锚索与锚固基础连接，一方面能够减小与刚性桁架连接的锚索长度，相应锚泊刚度会随之增加，可以有效抑制悬浮隧道动力响应；另一方面，使锚索连接方式由柔性约束变为半刚性约束，刚性桁架承担了上部结构所传递的部分荷载，大幅度提高了锚泊系统抵抗变形的能力，改善了原悬浮隧道的柔性特征，进而抑制悬浮隧道动力响应。

优选地，刚性桁架设有多个，多个刚性桁架沿行车管体纵向间隔布置，以适应悬浮隧道大跨度距离，提高锚泊系统抵抗变形的能力，改善原悬浮隧道的柔性特征。

优选地，刚性桁架由FRP筋构成。

优选地，刚性桁架呈倒三角形，结构稳定、简单、轻便，利于提高结构刚度。

优选地，刚性桁架与行车管体相互垂直，避免产生附加应力。

优选地，浮力可调节装置底部设有隧道平衡检测装置，用以控制浮力可调节的浮筒或浮力管以保证悬浮隧道的平衡。

优选地，锚索的至少一端设有阻尼器，减小悬浮隧道锚泊系统的振动。

优选地，浮力可调节装置为浮筒或浮力管，浮筒与每个行车管体之间刚性连接，浮筒包括若干个，若干个所浮筒沿行车管体延伸方向布置；或者，浮力管与每个行车管体之间刚性连接，浮力管包括若干段，若干段所浮力管沿行车管体延伸方向依次相连。将浮筒或浮力管沿行车管体延伸方向覆盖设置，利于悬浮隧道体系的平衡和协调，更利于抑制水中动力响应。

优选地，浮筒或浮力管的横截面为椭圆形或圆形。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、两个行车管体与浮力可调节装置刚性连接，有效提升了悬浮隧道的截面刚度，包括管体的轴向刚度、抗弯刚度、抗扭刚度等，进而抑制水中悬浮隧道动力响应。

2、跟现有的锚泊方式相比较，本发明增设刚性桁架，一方面使中间的倒V字柔性锚索段长度减小，有效地增加了锚索的线刚度，相应锚泊刚度也会随之增加；另一方面，将传统的全柔性的锚泊方式转变为半刚性的锚泊方式，刚性桁架承担了行车管体所传递的部分荷载，大幅度提高了锚泊系统抵抗变形的能力，并且在锚索两端设置阻尼器，可以有效地大幅度减少柔性约束带来的结构大幅度振动，能够有效抑制悬浮隧道动力响应，而且安装过程不繁琐，用索夹就可以固定。

3、本发明将可调节浮重比的浮筒或浮力管独立出悬浮隧道管体，不需改变行车管道设置，可灵活调整系统整体浮重比，进而可有效抑制水中悬浮隧道整体动力响应。

4、本发明灵活运用了三角形稳定原理，将两个行车管体和浮力可调节装置的组成结构、刚性桁架整体结构、刚性桁架中斜杆的连接方式、刚性桁架与行车管体的组成结构等设计为刚性固结的三角形结构，且各子结构通过刚性构件以三角形形式连接在一起，进一步使悬浮隧道及锚泊系统具有更好的整体性，有效提升了悬浮隧道及锚泊系统的整体刚度，使悬浮隧道动力响应得到抑制。

5、本发明各部件组成简单，安装操作方便；悬浮隧道锚固方式中加入的刚性桁架装置，其固定、维修和拆卸比较简单，材料可以重复性使用，成本低。

6、本发明使悬浮隧道整体结构具有以下优点：①整体性好，整体结构刚度大幅提高；②稳定性好，形成的固结三角形结构面内、面外稳定性都有较大地提升，特别是面内稳定性。③动力特性好，结构整体的动力特性得到极大提升，有效地保证行车舒适性和平稳性。④结构强度高，在动力载荷作用下，结构的变形大大地减少，其应力也远小于传统结构，增加了结构的安全性。

附图说明

图1是一种抑制动力响应的悬浮隧道体系的结构示意图。

图2是另一种抑制动力响应的悬浮隧道体系的结构示意图。

图3是悬浮隧道的横截面结构示意图。

图4是刚性桁架的结构示意图。

图5是索夹安装示意图。

图6是索夹横截面结构示意图。

图7是浮筒或浮力管的横截面结构示意图。

图标：1-行车管体；2-刚性桁架；21-主斜撑杆；22-横杆；23-斜杆；3-浮筒；4-浮力管；51-第一锚索；52-第二锚索；6-锚固基础；7-阻尼器；8-索夹；81-固定板；82-节点板；9-中隔墙；10-陀螺仪；11-给排水管；12-水位检测仪。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

考虑到现有的悬浮隧道管体断面设计大多采用单(椭)圆截面或者两个圆截面刚性连接的截面形式，若增加单圆截面的直径来增加截面刚度，则会导致通风功率大、空间浪费以及工程量大等，因此单个行车管体的自身刚度难以大幅度提升；另一方面，虽然提高浮重比可以有效地抑制管体动力响应，但悬浮隧道在正常运行的工况下，海洋环境、车辆荷载等因素均会使浮重比产生一定的变化，同样地，采用单(双)圆筒截面的悬浮隧道对浮重比的调节也会带来较大的困难，而且难以稳定控制浮重比。因此，本实施例提供一种抑制动力响应的悬浮隧道体系，通过提高悬浮隧道整体锚泊刚度，来抑制水中悬浮隧道动力响应。

如图1-图3，该新型悬浮隧道体系包括锚固基础6和锚索，还包括浮力可调节装置和两个单圆截面的行车管体1。其中浮力可调节装置为横截面形式为圆形或椭圆形的管体结构，可以用来调节浮重比，可为浮筒3或浮力管4结构；两个行车管体1处于同一水平高度上，作为双向行车的载体；浮力可调节装置位于两个行车管体1中间正上方，浮力可调节装置与每个行车管体1之间刚性连接，两个行车管体1之间刚性连接，得到行车管体1与浮力可调节装置三角刚性连接的横截面形式；锚索包括第一锚索51，两个行车管体1分别通过第一锚索51与锚固基础6连接，第一锚索的连接形式在横截面上呈八字形，通过管体与锚固基础6之间的柔性约束将悬浮隧道上部结构所受到的力传递给锚固基础6。悬浮隧道行车管体1由多段预制的管节连接而成，悬浮隧道两端的接岸段管节固结在接岸结构上。

两个行车管体1与浮力可调节装置相组合，三个管体相互刚性连接，在横截面上形成三角形稳定结构，使悬浮隧道在截面抗弯刚度和抗扭刚度有明显的提升，浮重比可灵活调节。在通车条件(假设单圆截面悬浮隧道模型直径为2d，本实施例中三个管体直径均为d)、管体选取材料相同的情况下，通过力学理论计算得到悬浮隧道上部结构的截面刚度，并与现有的单圆截面刚度进行对比，本实施例采用的截面形式其横向惯性矩(抗弯性能)、竖向截面惯性矩(抗弯性能)、惯性积(抗扭性能)、截面面积(抗拉压性能)均得到有效提高，则悬浮隧道整体锚泊刚度得到提高，进而能够有效抑制水中悬浮隧道动力响应。

进一步地，两个行车管体1正下方增设三角形刚性桁架2，结构稳定、简单、轻便。具体地，如图3-图5，刚性桁架2主要由主斜撑杆21、横杆22及若干个斜杆23构成，两个主斜撑杆21和一个横杆22构成倒三角框架，三角框架内部含有若干个连续的小三角形结构以加强刚性桁架2的刚度。刚性桁架2中的杆件采用质量较轻、材料结合力强、在海洋环境中耐腐蚀性好、强度和刚度能够满足实际工程需求的复合材料，如FRP筋，能够减少刚性桁架2整体质量和保证其耐腐蚀性。刚性桁架2与行车管体1相互垂直，并通过主斜撑杆21延伸连接两侧行车管体1进行刚性约束，刚性桁架2与两个行车管体1组合形成三角稳定结构，刚性桁架2承担部分载荷，具有一定抵抗变形的能力；刚性桁架2包括多个，多个刚性桁架2沿行车管体1纵向每隔相应距离均匀布置。锚索还包括第二锚索52，刚性桁架2通过两侧第二锚索52与锚固基础6连接；两侧第二锚索52连接于靠近倒三角刚性桁架2的底角附近处，在横截面上呈倒V型。

由于锚索大柔度、小质量及小阻尼的特性，如图5，在每根锚索端部设置阻尼器7，如授权公告号为CN107938497A所述的一种竖向调谐质量阻尼器，该竖向调谐质量阻尼器的质量块在竖向上不发生扭转，能够控制模态的竖向振动，保证有效抑制扭转振动，能够在复杂的外海波流交变载荷以及地震荷载作用下减小悬浮隧道锚泊系统的振动。

如图3、5、6，行车管体1与第一锚索51之间、刚性桁架2与第二锚索52之间可通过索夹8实现两者的传力。索夹8由固定板81、节点板82和高强度螺栓组成，其中索夹8与阻尼器7通过节点板82由高强度螺栓进行连接，同时锚索与索夹8中的固定板81由高强度螺栓进行锚固，固定板81将锚索夹紧提供足够的摩擦力，使锚索端部保持一个固定的角度，保证半刚性约束的特点。刚性桁架装置的固定、维修和拆卸比较简单，材料可以重复使用，成本低。

通过刚度定义可以得出锚索轴向刚度：

其中，k代表锚索的线刚度，E代表锚索的弹性模量，A为锚索的横截面面积；从式中可得出锚索长度L_锚索与锚泊系统刚度有直接关系。在行车管体1下部增加三角形刚性桁架2可使得中间倒V型第二锚索52的长度减小，相应锚泊刚度会随之增加，可以有效抑制悬浮隧道动力响应。

总之，在保留原悬浮隧道的柔性约束的基础上，行车管体1下方增设刚性桁架2，且刚性桁架2也增设第二锚索52与锚固基础6连接，一方面能够减小与刚性桁架2连接的锚索长度，相应锚泊刚度会随之增加，可以有效抑制悬浮隧道动力响应；另一方面，使锚索连接方式由柔性约束变为半刚性约束，刚性桁架2承担了行车管体1所传递的部分荷载，大幅度提高了锚泊系统抵抗变形的能力，改善了原悬浮隧道的柔性特征，进而抑制悬浮隧道动力响应。在新增材料很少的情况下，可大幅度减少原柔性约束带来的不平衡力并提高整体刚度，亦能有效解决悬浮隧道大幅度转动及柔性问题，其它力学性能也有所改善。

实施例2

基于实施例1，如图1，浮力可调节装置为浮筒3结构。浮筒3设有多个，多个浮筒3沿行车管体1纵向每隔相应距离均匀布置。浮筒3的横截面形式优选采用椭圆形。在迎面波浪荷载下，对于两个横截面积相同的浮筒3，在分别选取椭圆形和圆形截面形式的情况下，椭圆形截面的浮筒3迎面面积相比圆形截面较小，可减少行车管体1产生的动力响应。

浮筒3采用节段型形式给行车管体1施加浮力，如图7，每段浮筒3内部包括排水装置、给水装置和水位检测仪；每段浮筒3内沿管体纵向设置一道中隔墙9，中隔墙9竖向设置，将浮筒3分为左右两个隔断室；每个腔室分别配置有排水装置、给水装置和水位检测仪12，排水装置和给水装置通过给排水管11进行排放、输入水量，水位检测仪12用来检测水量，浮筒3受外部控制信号调节浮重比。

在行车管体1两端装有车辆重量监测装置，用来测出进入隧道内车的重量，通过电脑计算处理，发出相应控制信号控制浮力可调节装置改变悬浮隧道浮重比，使悬浮隧道保持平衡，能够稳定运行；在浮力可调节装置中下方安装隧道平衡检测装置(专利授权公告号：CN111254980A)，隧道平衡监测装置采用陀螺仪10，陀螺仪10器能提供准确水平、速度和加速度信号，陀螺仪10所测得的数据通过传感器得到传感数据，经过计算机分析计算，算出隧道的状态，从而电脑发出指令来控制浮力可调节的浮筒3以保证悬浮隧道的平衡。当隧道向左倾斜时，电脑发出指令使浮筒3左隔断室出水进气，右隔断室进水出气，从而使隧道达到平衡；向右侧倾斜时，工作原理与向左倾斜相似，右隔断室出水进气，左隔断室进水出气。

实施例3

相比实施例2，如图2，浮力可调节装置为浮力管4。浮力管4的横截面形式若采用椭圆形截面，在复杂外海波流环境下所受竖向力比横向力大；若采用圆形截面，浮力管4在波浪荷载下竖向力和横向力基本保持一致，因此浮力管4优选圆形截面。

浮力管4沿行车管体1纵向方向由多段预制管节连接而成，浮力管4调节浮力的工作原理与浮筒3相似。浮力管4施加给行车管体1的浮力均匀，整体结构受力简单，并且浮重比可以同时进行调节，拆卸和安装方便。

需要说明的是，本文中所述的浮重比，定义为悬浮隧道管体所受浮力和重力之比。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制动力响应的悬浮隧道体系，包括锚固基础(6)和锚索，其特征在于，还包括浮力可调节装置和两个行车管体(1)，所述浮力可调节装置位于两个行车管体(1)上方，所述浮力可调节装置与每个所述行车管体(1)之间刚性连接，两个所述行车管体(1)之间刚性连接，所述锚索包括第一锚索(51)，两个所述行车管体(1)分别通过所述第一锚索(51)与所述锚固基础(6)连接。

2.根据权利要求1所述的悬浮隧道体系，其特征在于，两个所述行车管体(1)下方设有刚性桁架(2)，所述刚性桁架(2)分别与两个所述行车管体(1)刚性连接，所述锚索还包括第二锚索(52)，所述刚性桁架(2)通过所述第二锚索(52)与所述锚固基础(6)连接。

3.根据权利要求2所述的悬浮隧道体系，其特征在于，所述刚性桁架(2)有多个，多个所述刚性桁架(2)沿所述行车管体(1)纵向间隔布置。

4.根据权利要求2所述的悬浮隧道体系，其特征在于，所述刚性桁架(2)由FRP筋构成。

5.根据权利要求2所述的悬浮隧道体系，其特征在于，所述刚性桁架(2)呈倒三角形。

6.根据权利要求5所述的悬浮隧道体系，其特征在于，所述刚性桁架(2)与所述行车管体(1)相互垂直。

7.根据权利要求1所述的悬浮隧道体系，其特征在于，所述浮力可调节装置底部设有隧道平衡检测装置。

8.根据权利要求1-7任一项所述的悬浮隧道体系，其特征在于，所述锚索的至少一端设有阻尼器(7)。

9.根据权利要求1-7任一项所述的悬浮隧道体系，其特征在于，所述浮力可调节装置为浮筒(3)或浮力管(4)，所述浮筒(3)与每个所述行车管体(1)之间刚性连接，所述浮筒(3)包括若干个，若干个所浮筒(3)沿所述行车管体(1)延伸方向布置；或者，所述浮力管(4)与每个所述行车管体(1)之间刚性连接，所述浮力管(4)包括若干段，若干段所浮力管(4)沿所述行车管体(1)延伸方向依次相连。

10.根据权利要求9所述的悬浮隧道体系，其特征在于，所述浮筒(3)或所述浮力管(4)的横截面为椭圆形或圆形。

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