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悬浮隧道流固耦合动力响应分析及试验研究

作　者: 晁春峰
导　师: 项贻强
学　校: 浙江大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 悬浮隧道流固祸合涡激振动振动抑制地震响应分析试验研究
分类号: U451
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

悬浮隧道是一种技术先进、环保和符合可持续发展的跨越长大水道的新型交通构筑物。其在波浪、水流作用下的涡激共振现象、地震响应分析方法及其驳岸的边界条件的影响值得关注和研究。本文结合国家自然基金项目,从悬浮隧道涡激振动和地震响应两方面出发,通过考虑流固耦合作用,对悬浮隧道管体—锚索耦合振动、锚索流固耦合涡激振动、横向地震作用下的动力响应和竖向地震作用下作用于管体上的动水荷载进行了系统的分析研究。主要成果如下：(1)通过对悬浮隧道管体-锚索系统进行简化,建立管体-锚索结构动力响应的模型,采用Hamilton原理推导出考虑锚索横向振动与管体竖向振动之间相互耦合的微分方程,并进行了方程求解。在此基础上,以某悬浮隧道为例,通过设定悬浮隧道不同的设计参数和工况,分析研究了悬浮隧道在涡激力作用下的锚索和管体的耦合振动响应。(2)基于结构动力学理论和流体力学,通过考虑锚索振动与流场的相互影响(即流固耦合),以千岛湖悬浮隧道设计方案为工程背景,采用分离式耦合法对锚索在水中的自由振动及在均匀流作用下的涡激振动进行了数值计算,得到了锚索在水中的自由振动频率、流体线性阻尼比和分析了不同约化速度对顺流向振幅、横流向振幅、拖曳力系数和举升力系数的影响。(3)利用浙江大学结构试验室风浪流综合水槽,进行了悬浮隧道锚索流固耦合振动的节段模型试验,近似模拟千岛湖悬浮隧道锚索流固耦合振动情况,测试得到了圆形锚索的惯性力系数、流体线性阻尼比和不同约化速度下的顺流向振幅、横流向振幅、拖曳力系数和举升力系数,另外还测试分析了锚索倾斜角度和来流角度对其涡激振动的影响。(4)提出悬浮隧道锚索涡激振动抑振方法,通过参考海洋立管抑振措施,设计了三种悬浮隧道锚索的抑振装置：三螺旋线、三控制杆和整流罩。采用模型试验的方法,研究分析了锚索倾斜角度、来流角度的变化对各种抑振装置的抑振效果的影响,对未来悬浮隧道锚索抑振装置的选择提出了建议。(5)考虑横向地震作用下悬浮隧道驳岸结构周围岩土性质对边界条件的影响,建立三向土弹簧约束的悬浮隧道数值模型,采用大质量法,结合我国东部海域海床岩土性质,并参照意大利Messina海峡悬浮隧道设计方案的参数,研究分析了驳岸段长度Lsh、粘性土剪切模量G、锚索倾斜角度α、悬浮管体重浮比η和海水水动力系数(CD和Cm)等参数对悬浮隧道地震响应的影响。(6)针对理想流体层中的悬浮隧道管体及锚索体系,研究了动水荷载—水体受地震激励后与管体相对运动在管体外表面产生的作用力.通过引入相关的假定,借助波动方程理论,推导了理想悬浮隧道管体(竖向不发生弹性变形)在地震P波作用下,受到的动水荷载的理论计算方程。通过参数研究,分析了上部海水厚度h、P波频率值ω、入射角度α、锚索刚度Kc和锚索间距L对动水荷载值的影响。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-15
1 绪论  15-51
  1.1 课题研究背景及意义  15-16
  1.2 悬浮隧道的概念及其特点  16-17
  1.3 悬浮隧道的研究发展概况  17-19
  1.4 悬浮隧道的研究现状  19-39
    1.4.1 设计荷载及主要的问题  20
    1.4.2 结构设计  20-23
    1.4.3 计算理论与方法  23-27
    1.4.4 作用荷载的研究  27-30
    1.4.5 流固耦合动力响应及地震响应特性研究  30-34
    1.4.6 模型试验研究  34-36
    1.4.7 悬浮隧道其他相关研究  36-37
    1.4.8 其他领域相关研究  37-39
  1.5 论文的主要内容  39-43
  本章参考文献  43-51
2 悬浮隧道锚索-管体耦合系统非线性振动分析  51-71
  2.1 概述  51-52
  2.2 涡激振动  52-55
    2.2.1 漩涡泄放机理  52-53
    2.2.2 涡激力计算  53-55
  2.3 计算模型  55-59
    2.3.1 模型的简化与假定  55
    2.3.2 基本运动微分方程  55-58
    2.3.3 方程求解  58-59
  2.4 数值算例及结果分析  59-68
    2.4.1 算例基本参数  59-60
    2.4.2 计算工况设定  60-61
    2.4.3 计算结果及分析  61-68
  2.5 本章小结  68-69
  本章参考文献  69-71
3 锚索流固耦合振动数值模拟与分析  71-93
  3.1 概述  71
  3.2 流固耦合的数值计算  71-73
    3.2.1 流固耦合基本理论  71-72
    3.2.2 流体力学基本方程  72-73
    3.2.3 分离式耦合法  73
  3.3 计算模型  73-77
    3.3.1 模型的简化与假定  73-75
    3.3.2 千岛湖悬浮隧道设计参数及数值模型  75-77
  3.4 数值计算结果及分析  77-91
    3.4.1 自由振动计算  77-80
    3.4.2 涡激振动  80-91
  3.5 本章小结  91-92
  本章参考文献  92-93
4 锚索流固耦合振动的试验研究  93-118
  4.1 概述  93
  4.2 模型设计  93-95
  4.3 试验设备与仪器  95-99
    4.3.1 风浪流综合水槽  95-96
    4.3.2 传感器及数据采集系统  96-99
  4.4 试验测试方法及内容  99-101
    4.4.1 动轨迹及振幅测量  99
    4.4.2 水力学参数C_m、C_D、C_L测试  99-100
    4.4.3 阻尼系数c’测试  100-101
    4.4.4 测点布置  101
  4.5 模型试验  101-103
    4.5.1 试验工况  101-102
    4.5.2 测试步骤  102-103
  4.6 试验结果与分析  103-116
    4.6.1 模型参数  103
    4.6.2 Cm值  103-104
    4.6.3 阻尼c’(阻尼比ξ’)  104
    4.6.4 涡激振动位移时程曲线  104-107
    4.6.5 举升力系数C_L和拖曳力系数C_D时程曲线  107-109
    4.6.6 频谱分析  109-112
    4.6.7 试验值与计算值对比  112-114
    4.6.8 参数分析  114-116
  4.7 本章小结  116-117
  本章参考文献  117-118
5 锚索涡激振动抑振试验研究  118-140
  5.1 概述  118-119
  5.2 抑振装置简介及设计  119-121
  5.3 抑振装置工况设计  121-122
  5.4 试验结果与分析  122-138
    5.4.1 模型参数  122-123
    5.4.2 C_m值  123-124
    5.4.3 阻尼c’(阻尼比ξ’)  124-125
    5.4.4 涡激振动位移时程曲线  125-127
    5.4.5 升力系数C_L和拖曳力系数C_D时程曲线  127-129
    5.4.6 抑振装置性能分析  129-138
  5.5 本章小结  138-139
  本章参考文献  139-140
6 悬浮隧道地震响应分析  140-160
  6.1 概述  140-141
  6.2 地震响应计算  141-145
    6.2.1 计算方法简介  141-143
    6.2.2 大质量法  143
    6.2.3 Newmark-β法  143-145
  6.3 土弹簧动刚度模拟  145-146
  6.4 水作用力模型  146-147
  6.5 地震响应数值计算  147-157
    6.5.1 力学模型的简化及模拟  147-148
    6.5.2 模型参数  148
    6.5.3 有限元模型  148-149
    6.5.4 结果分析  149-157
  6.6 本章小结  157-159
  本章参考文献  159-160
7 理想流体层中悬浮隧道管体动水荷载研究-P波效应  160-175
  7.1 概述  160
  7.2 地震波的传播机理  160-165
    7.2.1 地震波  160
    7.2.2 弹性动力学  160-165
  7.3 动水荷载数学模型  165-169
    7.3.1 模型的简化与假定  165-166
    7.3.2 波动方程  166-167
    7.3.3 位移势函数  167-168
    7.3.4 边界条件  168
    7.3.5 方程位移势函数及待定系数解  168-169
  7.4 数值算例  169-172
    7.4.1 模型参数  169-170
    7.4.2 结果分析  170-172
  7.5 本章小结  172-174
  本章参考文献  174-175
8 结论和展望  175-179
  8.1 主要工作总结  175-177
  8.2 主要创新点  177-178
  8.3 展望  178-179
作者简历及在学期间所取得的科研成果  179-180

悬浮隧道流固耦合动力响应分析及试验研究

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