CN118441642B - 一种两级非接触式的悬浮隧道防撞设施 - Google Patents
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Abstract
本发明属于桥梁与隧道工程技术领域，具体涉及一种两级非接触式的悬浮隧道防撞设施。2个一级防撞桶水平对称布置于悬浮隧道管段的两侧，4根一级阻拦索的一端分别连接到悬浮隧道管段两侧相邻的4根主锚索，另一端连接到一级防撞桶的底面；1个二级防撞桶，竖直居中布置于悬浮隧道管段的上方，并通过4根二级阻拦索与一级防撞桶连接。两级防撞桶浸没水下时受到的总和剩余浮力通过一级阻拦索传递到主锚索上，两级阻拦索始终保持拉紧状态，保证两级防撞桶在水中动荷载、碰撞荷载作用下的稳定性；依据悬浮隧道纵向不同位置的防撞设计要求，连续或间隔布置两级防撞桶，给隧道提供纵向、水平向及竖直向的非接触式防撞保护。
Description
技术领域
本发明属于桥梁与隧道工程领域，具体涉及一种两级非接触式的悬浮隧道防撞设施。
背景技术
悬浮隧道是一种新型的跨海越洋结构，帮助车辆快速、安全地穿越深水峡湾，依靠自身剩余浮力（浮力与重力的差值）和张紧的锚索维持整体稳定。与传统的桥梁和隧道相比，悬浮隧道在选址灵活性、轴线方向跨径长度、全天候运行能力及全寿命周期成本等方面具有优势，特别适用于深、宽且水面船舶、水下潜艇通航要求高的水域。
悬浮隧道服役周期中，竖直方向面临掉落重物（如沉船、失事飞机等），水平方向面临潜艇、船舶拖锚等的碰撞风险，一旦管体受外部碰撞荷载导致破坏，将是极端危险的。目前对于悬浮隧道的碰撞风险评估、碰撞动力响应分析及应对的防碰撞设计研究还不够充分。尽管已有部分学者提出过一些“与管体接触式的悬浮隧道防撞设计”，但这类防撞设施大多“与悬浮隧道管段连接成整体”，一方面增加建造难度和成本，另一方面自身刚性较大、无法有效耗散碰撞能量。
悬浮隧道的管体刚性较大，倾斜锚索则是柔性构件，抗拉能力强，锚索应尽量保持单轴拉伸状态，但由于自身重量引起的垂度效应，导致锚索内弯曲、剪切等复杂应力状态的出现。因此，可以利用柔性锚索变形能力大的特点，提出一种“非直接接触管体的”悬浮隧道防撞设施及其布置方法，一方面改善倾斜锚索的复杂应力状态，另一方面提升偶然碰撞作用下的结构安全性。
发明内容
本发明的目的是提出一种新型的两级非接触式的悬浮隧道防撞设施与布置形式，避免现有接触式悬浮隧道防撞设计缺陷的基础上，提供悬浮隧道轴线方向、水平向及竖直向的非接触式防撞保护并改善倾斜锚索的受力状态，提升抗碰撞风险的能力。
本发明的技术方案如下：
以悬浮隧道管段上两侧相邻的4根主锚索为基础，布置一级防撞桶共2个、二级防撞桶共1个以及限制两级防撞桶位移的一级阻拦索共4根、二级阻拦索共4根；
所述的一级防撞桶、二级防撞桶长度相同，为悬浮隧道管段长度的90%-95%，以提供沿悬浮隧道管段轴线方向的防撞保护；两级防撞桶的截面形式均为密封的中空圆管，浸没水下时受到的浮力大于重力且剩余浮力可调；
所述的一级防撞桶有2个，水平对称布置在悬浮隧道管段的两侧，其顶面与悬浮隧道管段顶面平齐；4根一级阻拦索的一端分别连接到悬浮隧道管段两侧相邻的4根主锚索上，4根一级阻拦索的另一端连接到一级防撞桶的底面；二级防撞桶有1个，竖直居中布置在悬浮隧道管段的上方，通过4根二级阻拦索与2个一级防撞桶连接；
所述的一级防撞桶截面形心分别为O11、O12，到悬浮隧道管段截面形心O的距离分别为l11、l12；二级防撞桶截面形心O2到悬浮隧道管段截面形心O的距离为l2，l11=l12=l2，以提供沿悬浮隧道管段横截面水平向、竖直向的防撞保护；当两级防撞桶浸没水下时，一级防撞桶的剩余浮力被一级阻拦索与二级阻拦索的拉力平衡，二级防撞桶的剩余浮力被二级阻拦索的拉力平衡；两级防撞桶的总和剩余浮力通过4根一级阻拦索传递到4根主锚索；两级阻拦索始终保持拉紧状态，保证两级防撞桶在水中动荷载、碰撞荷载作用下的稳定性；
所述的主锚索不截断，主锚索索夹安装在主锚索上并预留主锚索安装孔；一级阻拦索接头安装在一级阻拦索的一端并预留一级阻拦索安装孔；一级阻拦索接头插入主锚索索夹，主锚索安装孔与一级阻拦索安装孔对齐，铆接头贯穿孔内，实现主锚索与一级阻拦索的铰接；主锚索锚固基础端至主锚索安装孔的长度为L1，主锚索安装孔至悬浮隧道管段的长度为L2，L1/L2=0.7-1.0。
两级防撞桶靠近其两端部的位置分别安装2个阻拦索挂耳，以便两级阻拦索与两级防撞桶的连接。
两级防撞桶上均设置有注水排气孔，通过控制注水量调节两级防撞桶的剩余浮力，进一步调整主锚索上L1这一段的索力，减小主锚索的垂度效应、改善复杂应力状态；一级防撞桶上的注水排气孔朝水平向外布置，二级防撞桶上的注水排气孔朝竖直向上布置。
布置有阻拦索挂耳、注水排气孔的一级防撞桶、二级防撞桶，结构形式完全相同，易于批量生产，撞后可修、可更换。
对于悬浮隧道很长的情况，根据沿隧道纵向不同位置的防撞设计要求，连续或间隔布置两级防撞桶。
本发明的有益效果体现在：
1）非直接接触式的两级防撞桶、两级阻拦索，视为“可更换”的附属设施，相比于接触式防撞措施，能有效拨转外部撞击物体、减少能量传递；防撞桶主要起缓冲作用、阻拦索主要发挥耗能作用（碰撞动能转化为弹性势能），提供纵向、水平向、竖直向的全面保护；
2）两级防撞桶的剩余浮力可调，剩余浮力通过一级阻拦索传递到主锚索上，减小悬浮隧道运营过程中主锚索的垂度效应，改善其受力状态，提升锚索使用寿命；
3）一般认为悬浮隧道主锚索的安全系数取2.5-3.0以上，安全储备较高，碰撞发生时悬浮隧道主锚索自身亦起到耗能作用，发挥其抗拉强度高的特性；
4）一级防撞桶、二级防撞桶结构形式完全相同，易于批量生产，撞后可修、可更换；
5）悬浮隧道沿跨径方向不同位置的通航需求不同，非接触式的防撞桶和阻拦索，可根据防撞设计要求灵活布置。
附图说明
图1为本发明两级非接触式悬浮隧道防撞设施的整体示意图；
图2为图1中悬浮隧道防撞设施的整体立面图；
图3为图2中悬浮隧道防撞设施的A-A横断面图；
图4为图3中B部分一级阻拦索和主锚索连接处的详图；
图5为两级防撞桶上阻拦索挂耳和注水排气孔的构造细节图，其中，图5（a）为一级防撞桶的构造细节图，图5（b）为二级防撞桶的构造细节图；
图6为悬浮隧道轴线方向上防撞设施的布置示意图。
图中构造：主锚索1，主锚索索夹1-1，主锚索安装孔1-2，悬浮隧道管段2，一级阻拦索3，一级阻拦索接头3-1，一级阻拦索安装孔3-2，一级防撞桶4，二级阻拦索5，二级防撞桶6，铆接头7，阻拦索挂耳8，注水排气孔9。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方法进行说明。
如图1-图3所示，以悬浮隧道管段2上两侧相邻的4根主锚索1为基础，布置一级防撞桶4共2个、二级防撞桶6共1个以及限制两级防撞桶位移的一级阻拦索3共4根、二级阻拦索5共4根。
如图1-图3所示，一级防撞桶4、二级防撞桶6长度相同，为悬浮隧道管段2长度的90%-95%，以提供沿悬浮隧道管段2轴线方向的防撞保护；两级防撞桶的截面形式均为密封的中空圆管，浸没水下时受到的浮力大于重力且剩余浮力可调。
如图1-图3所示，一级防撞桶4有2个，水平对称布置在悬浮隧道管段2的两侧，其顶面与悬浮隧道管段2顶面平齐；4根一级阻拦索3的一端分别连接到悬浮隧道管段2两侧相邻的4根主锚索1上，4根一级阻拦索3的另一端连接到一级防撞桶4的底面；二级防撞桶6有1个，竖直居中布置在悬浮隧道管段2的上方，通过4根二级阻拦索5与2个一级防撞桶4连接。
如图1、图3所示，一级防撞桶4截面形心分别为O11、O12，到悬浮隧道管段2截面形心O的距离分别为l11、l12；二级防撞桶6截面形心O2到悬浮隧道管段2截面形心O的距离为l2，l11=l12=l2，以提供沿悬浮隧道管段2横截面水平向、竖直向的防撞保护；当两级防撞桶浸没水下时，一级防撞桶4的剩余浮力被一级阻拦索3与二级阻拦索5的拉力平衡，二级防撞桶6的剩余浮力被二级阻拦索5的拉力平衡；两级防撞桶的总和剩余浮力通过4根一级阻拦索3传递到4根主锚索1；两级阻拦索始终保持拉紧状态，保证两级防撞桶在水中动荷载、碰撞荷载作用下的稳定性。
如图1-图4所示，主锚索1不截断，主锚索索夹1-1安装在主锚索1上并预留主锚索安装孔1-2；一级阻拦索接头3-1安装在一级阻拦索3的一端并预留一级阻拦索安装孔3-2；一级阻拦索接头3-1插入主锚索索夹1-1，主锚索安装孔1-2与一级阻拦索安装孔3-2对齐，铆接头7贯穿孔内，实现主锚索1与一级阻拦索3的铰接；主锚索1锚固基础端至主锚索安装孔1-2的长度为L1，主锚索安装孔1-2至悬浮隧道管段2的长度为L2，L1/L2=0.7-1.0。
如图2、图3和图5所示，两级防撞桶靠近其两端部的位置分别安装2个阻拦索挂耳8，以便两级阻拦索与两级防撞桶的连接。两级防撞桶上均设置有注水排气孔9，通过控制注水量调节两级防撞桶的剩余浮力，进一步调整主锚索1上L1这一段的索力，减小主锚索1的垂度效应、改善复杂应力状态；一级防撞桶4上的注水排气孔9朝水平向外布置，二级防撞桶6上的注水排气孔9朝竖直向上布置。布置有阻拦索挂耳8、注水排气孔9的一级防撞桶4、二级防撞桶6，结构形式完全相同，易于批量生产，撞后可修、可更换。
如图6所示，对于悬浮隧道很长的情况，根据沿隧道纵向不同位置的防撞设计要求，连续或间隔布置两级防撞桶。
Claims (5)
1.一种两级非接触式的悬浮隧道防撞设施，用于提供悬浮隧道轴线方向、水平向及竖直向的非接触式防撞保护，其特征在于，以悬浮隧道管段（2）上两侧相邻的4根主锚索（1）为基础，布置一级防撞桶（4）共2个、二级防撞桶（6）共1个以及限制两级防撞桶位移的一级阻拦索（3）共4根、二级阻拦索（5）共4根；
所述的一级防撞桶（4）、二级防撞桶（6）长度相同，为悬浮隧道管段（2）长度的90%-95%，以提供沿悬浮隧道管段（2）轴线方向的防撞保护；两级防撞桶的截面形式均为密封的中空圆管，浸没水下时受到的浮力大于重力且剩余浮力可调；
所述的一级防撞桶（4）有2个，水平对称布置在悬浮隧道管段（2）的两侧，其顶面与悬浮隧道管段（2）顶面平齐；4根一级阻拦索（3）的一端分别连接到悬浮隧道管段（2）两侧相邻的4根主锚索（1）上，4根一级阻拦索（3）的另一端连接到一级防撞桶（4）的底面；二级防撞桶（6）有1个，竖直居中布置在悬浮隧道管段（2）的上方，通过4根二级阻拦索（5）与2个一级防撞桶（4）连接；
所述的一级防撞桶（4）截面形心分别为O11、O12，到悬浮隧道管段（2）截面形心O的距离分别为l11、l12；二级防撞桶（6）截面形心O2到悬浮隧道管段（2）截面形心O的距离为l2，l11=l12=l2，以提供沿悬浮隧道管段（2）横截面水平向、竖直向的防撞保护；当两级防撞桶浸没水下时，一级防撞桶（4）的剩余浮力被一级阻拦索（3）与二级阻拦索（5）的拉力平衡，二级防撞桶（6）的剩余浮力被二级阻拦索（5）的拉力平衡；两级防撞桶的总和剩余浮力通过4根一级阻拦索（3）传递到4根主锚索（1）；两级阻拦索始终保持拉紧状态，保证两级防撞桶在水中动荷载、碰撞荷载作用下的稳定性；
所述的主锚索（1）不截断，主锚索索夹（1-1）安装在主锚索（1）上并预留主锚索安装孔（1-2）；一级阻拦索接头（3-1）安装在一级阻拦索（3）的一端并预留一级阻拦索安装孔（3-2）；一级阻拦索接头（3-1）插入主锚索索夹（1-1），主锚索安装孔（1-2）与一级阻拦索安装孔（3-2）对齐，铆接头（7）贯穿孔内，实现主锚索（1）与一级阻拦索（3）的铰接；主锚索（1）锚固基础端至主锚索安装孔（1-2）的长度为L1，主锚索安装孔（1-2）至悬浮隧道管段（2）的长度为L2，L1/L2=0.7-1.0。
2.如权利要求1所述的一种两级非接触式的悬浮隧道防撞设施，其特征在于，两级防撞桶靠近其两端部的位置分别安装2个阻拦索挂耳（8），以便两级阻拦索与两级防撞桶的连接。
3.如权利要求1所述的一种两级非接触式的悬浮隧道防撞设施，其特征在于，两级防撞桶上均设置有注水排气孔（9），通过控制注水量调节两级防撞桶的剩余浮力，进一步调整主锚索（1）上L1这一段的索力，减小主锚索（1）的垂度效应、改善复杂应力状态；一级防撞桶（4）上的注水排气孔（9）朝水平向外布置，二级防撞桶（6）上的注水排气孔（9）朝竖直向上布置。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种两级非接触式的悬浮隧道防撞设施，其特征在于，布置有阻拦索挂耳（8）、注水排气孔（9）的一级防撞桶（4）、二级防撞桶（6），结构形式完全相同，易于批量生产，撞后可修、可更换。
5.如权利要求1所述的一种两级非接触式的悬浮隧道防撞设施，其特征在于，对于悬浮隧道很长的情况，根据沿隧道纵向不同位置的防撞设计要求，连续或间隔布置两级防撞桶。
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