深海懸浮隧道荷載組合及效應(yīng)分析（可編輯）

1、 單位代碼分類號(hào)密級(jí) 學(xué) 號(hào)墨廑交通戈謦碩士學(xué)位論文論文題目: 深海懸浮隧道荷載組合及效應(yīng)分析研究生姓名: 疏義廣導(dǎo)師姓名、職稱: 蔣樹屏 研究員 王曉雯 教授申請(qǐng)學(xué)位門類: 工學(xué)專業(yè)名稱: 橋梁與隧道工程論文答辯日期: 年月日重慶交通大學(xué)學(xué)位授予單位:答辯委員會(huì)主席: 梅志榮評(píng)閱人: 林志高 峰年月?刪?重慶交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)

2、果由本人承擔(dān)。日二年年腫日學(xué)位論文作?:彩妙重慶交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)重慶交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本人學(xué)位論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫,并進(jìn)行信息服務(wù)包括但不限于匯編、復(fù)制、發(fā)行、信息網(wǎng)絡(luò)傳播等,同時(shí)本人保留在其他媒體發(fā)表論文的權(quán)利。伯“牧 .以指導(dǎo)教師簽名:靴做儲(chǔ)躲痂妙日期:為年年月,日 日期:為年牟月,日本人同意將

3、本學(xué)位論文提交至中國學(xué)術(shù)期刊光盤版電子雜志社系列數(shù)據(jù)庫中全文發(fā)布,并按中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益。,?州酬一兢餉廝學(xué)位論文作者簽名:在氟匕/?撇:粕餉竹學(xué)贏文儲(chǔ)躲確邊廠日期:勱年年月夕日期。刀/乙年月/日摘 要,簡(jiǎn)稱是通過結(jié)構(gòu)自重、水水中懸浮隧道瑪 的浮力及錨固力的平衡作用,使其懸浮在水中適當(dāng)深度的新型管狀交通結(jié)構(gòu)物,是一種用于跨越海峽、海灣、湖泊及其他水道的新型結(jié)構(gòu)形式,由于懸浮隧道具有通行時(shí)間短、對(duì)自然環(huán)境影響小、建造地點(diǎn)的選擇比較自由以及不破壞建造地點(diǎn)的自然景觀等諸多方面的優(yōu)點(diǎn),其對(duì)于解決各國的島嶼與大陸連接、海灣通道和近岸工程建設(shè)等具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,因此

4、水中懸浮隧道正日益成為隧道專業(yè)方向新的研究課題。本文主要進(jìn)行了以下工作:.概述了水中懸浮隧道所處環(huán)境,對(duì)作用在水中懸浮隧道上的各種荷載進(jìn)行了總結(jié)并歸類。.簡(jiǎn)單的介紹了波浪理論,初步分析了波浪和水流對(duì)水中懸浮隧道所產(chǎn)生荷載的計(jì)算方法,并運(yùn)用定常流理論來計(jì)算水流對(duì)水中懸浮隧道的荷載。.采用大型有限元軟件建立水中懸浮隧道的三維有限元模型,對(duì)橢圓形,.、橢圓形刁.、橢圓形刁.、橢圓形,.、橢圓形刁.、圓形和多邊形斷面在不同水流流速、不同張力腿角度、不同懸浮深度情況下的靜力響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析。.利用流體計(jì)算軟件程序進(jìn)行水中懸浮隧道的繞流場(chǎng)模擬,對(duì)橢圓形,.、橢圓形,.、橢圓形叩.、橢圓形刁.、橢圓形,.

5、、圓形和多邊形斷面在不同水流流速下的壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析。關(guān)鍵詞:水中懸浮隧道;荷載;有限元;靜力響應(yīng);壓力場(chǎng);速度場(chǎng)眥鯽啪,址 坨、 鋤 觚、 咖 觚鋤蝕婦硒 仃郴砌,唰. ,矗,【嬲: 印 . 觚耐北;姍 出 培 】; 圮 缸. 曲 印們 鋤 鋤,衄 鋤鋤 行 鋤 量. .弱:. 眺 撕 印 豫 虢. 恤。巧 ,鋤 優(yōu) ,鋤 啪. 鋤 玎晰珥.協(xié) 謝. ,.、刁. 、,. 、,.鋤 、巧.駝 :】,、 鋤鋤 唱 .、,鋤觚 圮 時(shí) ,.、刁. 、. 、刁. 觚 、,. 航 夠啪; ;:唱 ;目 錄.第一章緒論?.水中懸浮隧道的概念和特點(diǎn)?.水中懸浮隧道的概念?.水中懸浮隧道的特點(diǎn).

6、水中懸浮隧道的發(fā)展概況?。.水中懸浮隧道的研究進(jìn)展?.管體結(jié)構(gòu)研究.錨固體系研究?。.模型試驗(yàn)研究.其他相關(guān)研究.論文研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線第二章作用在水中懸浮隧道上的荷載分析?.荷載分類.波浪理論.線性波浪理論巧波理論.有限波幅理論波理論.橢圓余弦波理論波理論?.孤立波理論波理論.擺線波理論?.波浪對(duì)懸浮隧道的作用分析.概苤. 公式.面公式中各參數(shù)的確定?.波浪力的折減?.水流對(duì)水中懸浮隧道的作用分析?.。.概苤.拖曳力?。.漩渦泄放效應(yīng)?.渦激振動(dòng)?.小結(jié)第三章張力腿型水中懸浮隧道的斷面形狀研究?.有限元法和軟件簡(jiǎn)介.水中懸浮隧道模型.結(jié)構(gòu)選型.模型計(jì)算參數(shù)及網(wǎng)格劃分.流速影響分析。.豎向位移

7、.橫向位移.迎流面張力腿軸力?。.背流面張力腿軸力.張力腿角度影響分析?.豎向位移.橫向位移。.懸浮深度影響分析.豎向位移.橫向位移.小結(jié).第四章水中懸浮隧道不同斷面下的繞流場(chǎng)模擬.軟件介紹?.的求解過程.軟件的基本用法?. 求解步驟?.流體運(yùn)動(dòng)的基本方程?.連續(xù)方程?.運(yùn)動(dòng)方程一.雷諾方程.湍流計(jì)算模型.零方程模式?.一方程模型?一.二方程模型.雷諾應(yīng)力模型?。.代數(shù)應(yīng)力模型?.計(jì)算模型及邊界條件.計(jì)算結(jié)果分析.壓力場(chǎng)分析?.速度場(chǎng)分析?。.本章小結(jié)?.第五章結(jié)論與展望?。.結(jié)論?.不足與建議?致謝。.。.。.參考文獻(xiàn)在學(xué)期間發(fā)表的論著及取得的科研成果?第一章緒論緒論 珀下匕第一章 .帚一早

8、.水中懸浮隧道的概念和特點(diǎn).水中懸浮隧道的概念水中懸浮隧道 ,簡(jiǎn)稱是通過結(jié)構(gòu)自重、水的浮力及錨固力的平衡作用,使其懸浮在水中適當(dāng)深度的新型管狀交通結(jié)構(gòu)物,是一種用于跨越海峽、海灣、湖泊及其他水道的新型結(jié)構(gòu)形式,它是交通運(yùn)輸工具跨越被深水分隔的兩岸之間的一種新型結(jié)構(gòu)物,適用于所有需在水中穿行的交通運(yùn)載工具,可通行火車、汽車、小型機(jī)動(dòng)車和行人,還可以做成穿行各種管道和電纜的服務(wù)通道【】。由于水中懸浮隧道穩(wěn)定的原理是以著名的阿基米德浮力理論為基礎(chǔ),所以水中懸浮隧道又被稱之為“阿基米德橋,但從結(jié)構(gòu)形式和使用的觀點(diǎn)來看,這種結(jié)構(gòu)具有一般隧道的所有特點(diǎn),而且它又是密封的,因此該結(jié)構(gòu)一般被認(rèn)為是“隧道而非“

9、橋梁【。懸浮隧道一般由懸浮在水中一定深度的管狀或箱型結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)的空間較大,足以適應(yīng)道路和鐵道交通的要求、支撐系統(tǒng)錨固在海底基礎(chǔ)上的錨索、墩柱或水面上的浮箱以及與兩岸連接的構(gòu)筑物組成【。圖.是水中懸浮隧道的幾種典型的結(jié)構(gòu)形式。纈滯緩圖.張力腿錨索式懸浮隧道. 觚 哪學(xué)他幅第一章緒論圖.浮筒式懸浮隧道. 姍曙圖.固定支撐式懸浮隧道. 蛐 日 .水中懸浮隧道的特點(diǎn)由于水中懸浮隧道的新型結(jié)構(gòu)形式,其與輪渡、橋梁、沉管隧道、水底隧道等一些傳統(tǒng)的跨越方式相比,具有如下特劇:水中懸浮隧道減少了與陸地交通連接的過渡隧道的長度或坡度,改善了道路線形,一般來講,汽車通過水中懸浮隧道所需時(shí)間與汽車通過橋梁所需時(shí)間較

10、接近,比通過水底隧道或沉管隧道的時(shí)間要少,遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于輪渡所需的時(shí)間;水中懸浮隧道受自然環(huán)境的影響小,例如海面上臺(tái)風(fēng)的襲擊,大霧天氣交通也可正常通行,并且可小時(shí)不問斷運(yùn)營。因此水中懸浮隧道能夠很好的緩解像橋梁上的交通擁堵情況,以保證交通的正常運(yùn)行;水中懸浮隧道的建造位置的選擇很靈活,無論是豎直方向懸浮深度的選擇,第一章緒論 還是平面位置或平面線形的選擇其都有很大的靈活性。線路走向可以選擇對(duì)海岸沿線的居民影響小,適合當(dāng)?shù)氐牡匦?不影響海岸線正常使用的區(qū)域,這樣可以確保工程有非常好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益等。根據(jù)年國際海洋組織會(huì)議的認(rèn)可,水中懸浮隧道的頂部適宜放置在距水面及以下,則不影響船舶正常

11、安全地通過該水域;水中懸浮隧道的建設(shè)不會(huì)對(duì)所建地點(diǎn)的周圍景觀環(huán)境造成破壞,對(duì)結(jié)構(gòu)物周邊區(qū)域的環(huán)境影響小,更有利于環(huán)境的保護(hù),這對(duì)于游客云集的旅游地點(diǎn)非常重要。此外,水中懸浮隧道不會(huì)對(duì)水面上的生活活動(dòng)或生產(chǎn)活動(dòng)造成影響,如體育比賽、水產(chǎn)養(yǎng)殖等;水中懸浮隧道的縱向坡度較為平緩,可以降低汽車的耗油量,繼而可以節(jié)省能源。不僅如此車輛通過水中懸浮隧道所排放出的污染氣體可以收集起來,利用尾氣凈化設(shè)備進(jìn)行處理在排放到大氣中,這可以極大的降低汽車尾氣的排放對(duì)大氣所造成的污染;當(dāng)海域的跨度及水深超過某一定值時(shí)一般海域的水深大于米,海域跨度大于米,水中懸浮隧道的單位造價(jià)不會(huì)隨跨度及水深而變化,幾乎是保持不變的,而

12、懸索橋和斜拉橋的單位造價(jià)則不會(huì)像水中懸浮隧道那樣,它們的造價(jià)與跨度息息相關(guān)。根據(jù)歐洲聯(lián)盟觚的研究,規(guī)劃中的總長度為.公里的挪威孵旬海峽水中懸浮隧道的總體造價(jià)約為.億歐元,該工程是兩車道的公路水中懸浮隧道,每公里的造價(jià)約為萬歐元;而如果在地震頻發(fā)地區(qū)的意大利海峽修建一條水中懸浮隧道,其總長度為公里,是公路與鐵路兩用的,有條汽車道和條火車道,該工程總的造價(jià)將超過億歐元,每公里的造價(jià)將約為億歐元,但如果在該區(qū)域修建懸索橋或斜拉橋,那么工程的造價(jià)將是水中懸浮隧道方案的好幾倍之多。.水中懸浮隧道的發(fā)展概況水中懸浮隧道的概念最早可追朔到年或更早,年該概念在挪威獲得專利,這也是世界上第一個(gè)關(guān)于水中懸浮隧道的

13、專利【。水中懸浮隧道的研究真正開始于上世紀(jì)年代,其中主要集中在挪威、意大利等歐洲國家,而美國、日本、中國也相繼展開了水中懸浮隧道的研究。挪威是對(duì)水中懸浮隧道研究較早且較深入的一個(gè)國家。年,向介紹了水中懸浮隧道的初步概念。在年,.提出了一個(gè)水中懸浮隧道設(shè)計(jì)方案,該水中懸浮隧道是通過錨索將隧道管段懸浮在水中一定深度,隧道管段是由鋼筋混凝土組成的,未設(shè)置管段的接頭,因?yàn)楫?dāng)時(shí)管段接頭的技術(shù)不成熟,造第一章緒論成了管段接頭容易損壞。年,挪威也開始了對(duì)水中懸浮隧道的研究,挪威國內(nèi)的一些研究人員組成了專門的水中懸浮隧道研究小組,開始研究其在實(shí)際工程中實(shí)施的可行性,取得了一些研究成果并在年月發(fā)表。該研究成果中

14、提出水中懸浮隧道適合修建的水域?qū)挾葹?。此?大部分該研究小組中的成員成立了委員會(huì),其工作是為、和之間的嬲海灣提供一種水中懸浮隧道的設(shè)計(jì)方案。年,在挪威觚舉行的海峽穿越國際會(huì)議上,提出了在赫格峽灣修建水中懸浮隧道工程。年,參加赫格峽灣水中懸浮隧道工程研究的四個(gè)挪威工程公司分別向挪威政府的公路管理部門提交了水中懸浮隧道設(shè)計(jì)方案,分別為由三個(gè)浮筒錨固的混凝土隧道管段、六個(gè)浮筒錨固的混凝土隧道管段、十個(gè)浮筒錨固的鋼殼隧道管段和四組豎向張力腿錨固的混凝土隧道管段引。年,英國工程師舭四通過對(duì)越意大利海峽的調(diào)查與研究,提出水中懸浮隧道適合該海峽。年,意大利研究人員開始研究對(duì)水中懸浮隧道的研究,并著重在海峽水

15、中懸浮隧道的修建可行性。隨后,意大利阿基米德橋國際公司 公司購得了海峽關(guān)于水中懸浮隧道設(shè)計(jì)的專利,并在年對(duì)水中懸浮隧道方案的預(yù)可行性進(jìn)行了研究,提出了連接意大利海峽兩岸的水中懸浮隧道在實(shí)際工程中應(yīng)用的可行性,并提出了一些需要深入研究的問題。在年,該公司又研究了在連接意大利艙海峽兩岸工程中的水中懸浮隧道方案所必須的最小水中深度,船舶在航行過程中的安全性等問題,提出應(yīng)將隧道項(xiàng)部距水面的距離至少為,這樣才不會(huì)對(duì)船舶通過海峽的安全性產(chǎn)生影響,在年召開的國際海洋會(huì)議認(rèn)可了該研究成果。意大利阿基米德國際公司研究工作室和和集團(tuán)公司與意大利“集團(tuán)合作,分別在年、年,對(duì)水中懸浮隧道設(shè)計(jì)過程中需要考慮的管段的橫截

16、面形式、設(shè)計(jì)荷載、支撐系統(tǒng)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等問題展開了深入的探討和研究,并設(shè)計(jì)出了幾種典型的管段橫截面形狀。集團(tuán)公司對(duì)水中懸浮隧道設(shè)計(jì)指南的編制方面做了很大的貢獻(xiàn),為相關(guān)單位和研究機(jī)構(gòu)對(duì)水中懸浮隧道設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù),這使得對(duì)水中懸浮隧道的研究向前邁進(jìn)了一大步【。根據(jù)挪威、意大利等國家對(duì)水中懸浮隧道的研究成果,歐盟認(rèn)為水中懸浮隧道相比于橋梁、沉管隧道等具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。因此,歐盟于年出資并組織挪威、丹麥和意大利的相關(guān)部門和專家對(duì)水中懸浮隧道技術(shù)的關(guān)鍵性問題做進(jìn)一步的研究,以便為將來水中懸浮隧道的建設(shè)提供設(shè)計(jì)參考與依據(jù)。,在世紀(jì)年代末,國際隧道協(xié)會(huì) 簡(jiǎn)稱開始積極促進(jìn)世界上各國家之間在水中懸浮隧道技術(shù)研

17、究上的交流與第一章緒論合作。年,成立了一個(gè)專門研究水中懸浮隧道的小組。年,國際隧道協(xié)會(huì)對(duì)世界各國對(duì)水中懸浮隧道的研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研,并發(fā)表了報(bào)告。年月,在挪威的市,國際隧道協(xié)會(huì)召開了關(guān)于水中懸浮隧道為主題的國際會(huì)議】年,日本成立了水中懸浮隧道研究協(xié)會(huì),該協(xié)會(huì)與日本的北海道大學(xué)和北海道發(fā)展局進(jìn)行合作,并組成一個(gè)水中懸浮隧道的研究小組,針對(duì)水中懸浮隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了大量的理論分析和試驗(yàn)研究,并且提出了日本的兩個(gè)區(qū)域適合修建水中懸浮隧道:一個(gè)是連接日本的北海道和本州島的跨越噴火灣的水中懸浮隧道;另一個(gè)是跨越日本北海道渡島半島東側(cè)大灣的水中懸浮隧道美國也展開了水中懸浮隧道的研究,其主要是針

18、對(duì)無水流的內(nèi)陸湖,提出了,簡(jiǎn)稱.靜水懸浮隧道.嘧瑪 的概念】。我國也對(duì)水中懸浮隧道展開了一些研究工作,年在舟山大陸連島工程中提出了水中懸浮隧道的設(shè)想,以連接連島工程中難度最大、海水最深、長度最長的金塘海峽長度約為、平均水深約、最大水深約。年月浙江省科技廳與意大利政府簽署了有關(guān)合作協(xié)議,以舟山大陸連島工程的金塘海峽為背景,展開了金塘海峽水中懸浮隧道的可行性研究。年由浙江省科技廳牽頭,浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、國家海洋局第二海洋研究所等單位聯(lián)合組團(tuán)去意大利,與有關(guān)專家就懸浮隧道的截面設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及其他關(guān)鍵性技術(shù)問題進(jìn)行了探討【。年底,意大利方面組織專家對(duì)我國進(jìn)行訪問,雙方專家

19、就金塘海峽水中懸浮隧道的設(shè)計(jì)概況、結(jié)構(gòu)分析理論、施工工藝、工程造價(jià)及綜合評(píng)價(jià)等問題進(jìn)行了交流及探討。年月中國科學(xué)院力學(xué)研究所與意大利的阿基米德橋綜合公司就開展懸浮隧道的合作研究簽署了“中意觚聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室合作計(jì)劃協(xié)議。綜上所述,水中懸浮隧道的研究歐洲起步最早,已處于世界領(lǐng)先水平,研究范圍包括整體設(shè)計(jì)、計(jì)算理論、模型試驗(yàn)、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和施工方法等。美國和日本則利用自己的海洋工程技術(shù),對(duì)水中懸浮隧道也進(jìn)行了較為深入的研究。而我國對(duì)水中懸浮隧道的研究起步較晚,還處在研究的初級(jí)階段,但是起點(diǎn)較高,極有可能建成世界首條水中懸浮隧道。.水中懸浮隧道的研究進(jìn)展水中懸浮隧道是一項(xiàng)涉及多門學(xué)科和專業(yè)的課題,與

20、一般的水工結(jié)構(gòu)和近海工程結(jié)構(gòu)不同,在其實(shí)際使用階段之前還需要解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題主包括:現(xiàn)第一章緒論場(chǎng)海洋自然環(huán)境的收集,如地質(zhì)、地貌、水文等;設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和荷載狀況的研究,特別是水流和波浪荷載對(duì)水中懸浮隧道作用的研究;結(jié)構(gòu)分析方法和設(shè)計(jì)理論依據(jù)的研究;截面形狀和主要構(gòu)筑物的研究,尤其是關(guān)于管段接頭型式和支撐系統(tǒng)的研究;深水施工關(guān)鍵工藝和程序的研究,包括管段的定位、基礎(chǔ)的施工、錨固等;以及懸浮隧道可能引起的潮汐變化、生物成長過程的動(dòng)態(tài)模擬和運(yùn)營階段的維修等方面的問題。作為一種新穎的結(jié)構(gòu)形式,應(yīng)在其設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營各階段提出明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,本節(jié)綜述了國內(nèi)外對(duì)水中懸浮隧道結(jié)構(gòu)分析方面的研究進(jìn)展,為我

21、國對(duì)水中懸浮隧道展開進(jìn)一步研究提供一定的參考。本節(jié)將從管體結(jié)構(gòu)、錨固體系和模型試驗(yàn)等幾個(gè)方面詳細(xì)闡述目前有關(guān)懸浮隧道結(jié)構(gòu)分析的研究現(xiàn)狀。.管體結(jié)構(gòu)研究.【】等提出了采用彈性支撐梁作為分析水中懸浮隧道力學(xué)行為的計(jì)算模型,該模型假定:水中懸浮隧道的力學(xué)特性符合.梁理論:將錨索看作是彈簧單元;錨索間距為一恒定值。顯然,上述模型在靜力響應(yīng)問題分析中是可行的,但是在動(dòng)力問題的分析中是否依然有效,則有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證。.幻等采用上述模型分別進(jìn)行了水中懸浮隧道的自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)分析,認(rèn)為當(dāng)肼/日.七為支撐的彈簧剛度,廳為支撐間距;日為梁的彎曲剛度時(shí),采用上述模型對(duì)水中懸浮隧道進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)仍是有效的。.和

22、.【采用空間梁?jiǎn)卧?忽略了軸向變形和扭轉(zhuǎn)特性,建立了水中懸浮隧道設(shè)計(jì)方案的有限元模型,來分析其在地震荷載作用下的響應(yīng)。干滂【】在三維實(shí)體等參元的基礎(chǔ)上,通過引入板殼的基本假定構(gòu)造出實(shí)體退化板殼單元,在實(shí)體退化板殼單元的基礎(chǔ)上,通過對(duì)層合板殼單元截面的分層分段,引入“虛擬層概念,提出了“虛擬層合單元,并采用虛擬層合理論對(duì)懸浮隧道進(jìn)行空間整體分析。計(jì)算結(jié)果表明,虛擬層合單元能比較精確地描述結(jié)構(gòu)的幾何截面特性,特別是有復(fù)雜截面形式的水中懸浮隧道,該單元的出現(xiàn)為具有復(fù)雜截面形式的水中懸浮隧道的受力分析提供了強(qiáng)有力的工具。麥繼婷等【?！繉腋∷淼兰板^固系統(tǒng)簡(jiǎn)化為空間梁系結(jié)構(gòu),采用空間梁?jiǎn)卧牧惺椒?建立

23、懸浮隧道結(jié)構(gòu)的有限元力學(xué)模型,在分別考慮水流、波浪和波流與結(jié)構(gòu)相互作用的條件下,討論了在水流及波流作用下懸浮隧道系統(tǒng)的響應(yīng)計(jì)算方法,在不同表面流速、波浪入射角、隧道斷面形式和支撐形式下,對(duì)水中懸浮隧道動(dòng)態(tài)響應(yīng)及支撐所受應(yīng)力進(jìn)行了分析。此外麥繼婷等【】還將單跨水中懸浮隧道簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁,考慮了結(jié)構(gòu)的粘性阻尼和非線性流體阻尼,采用伽遼金第一章緒論 法和數(shù)值積分法,對(duì)水中懸浮隧道在波流作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析估算。謝立廣【運(yùn)用.梁理論,用彈性梁模擬隧道管體,忽略梁的剪切變形、軸向變形和扭轉(zhuǎn),用彈性鉸模擬管段接頭,對(duì)水中懸浮隧道結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了靜力分析和動(dòng)力分析。.錨固體系研究目前水中懸浮隧道的支撐體系

24、主要有三種:錨索式、浮筒式和固定支撐式,而對(duì)錨固體系的研究也集中在錨索式水中懸浮隧道。和.【】考慮到錨索單元在變化的軸力作用下會(huì)產(chǎn)生橫向的振動(dòng),從而使錨索單元產(chǎn)生非線性。為此,和.對(duì)水中懸浮隧道的錨索單元采用平面鉸接桿單元來模擬,該單元具有個(gè)自由度的,如圖.所示。在對(duì)平面鉸接桿單元的計(jì)算過程中,引入了如下假設(shè):相對(duì)于桿的長度而言,假設(shè)單元的扭轉(zhuǎn)和橫向位移很小;假定單元的軸向變形很小,沿桿長度方向?yàn)槌?shù),且為單元結(jié)點(diǎn)位移的二次函數(shù);單元處于彈性階段;單元橫向位移曲線為正弦曲線。 摹。圖.整體坐標(biāo)系下得五自由度平面鉸接桿單元. 舶 唧 盯柚.【】等以海峽水中懸浮隧道初步設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ),對(duì)不同錨第一

25、章緒論.】等對(duì)采用傾斜錨腿錨固的水中懸浮隧道進(jìn)行了研究,在極限波浪荷載條件下,隧道的錨腿可能會(huì)出現(xiàn)突然的松弛或拉緊的現(xiàn)象。.等認(rèn)為錨腿的這種變形會(huì)產(chǎn)生非線性恢復(fù)力,并對(duì)錨腿在不同浮重比和不同傾角下的非線性恢復(fù)力進(jìn)行了研究。葛斐和洪士友【將水中懸浮隧道錨索結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為受張力的簡(jiǎn)支梁,引入如下假設(shè):忽略了沿錨索長度方向張力的變化;假定波浪、水流沿同一方向,水流為均勻流;沿錨索長度方向,錨索的尺寸和材料特性不變。麥繼婷等將水中懸浮隧道的張力腿簡(jiǎn)化成豎向的簡(jiǎn)支梁,采用伽遼金法和數(shù)值積分法,同時(shí)考慮了非線性流體的阻尼和流體的參數(shù)激勵(lì),運(yùn)用軟件對(duì)水中懸浮隧道的張力腿一階渦激動(dòng)力響應(yīng)在不同的參數(shù)激勵(lì)頻率所產(chǎn)生

26、的影響進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)【】。.模型試驗(yàn)研究模型試驗(yàn)是科學(xué)研究的重要手段之一,正確的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢詾榻Y(jié)構(gòu)分析提供數(shù)據(jù)和結(jié)論,可以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的有效性和正確性,因此,模型試驗(yàn)是研究中必不可少的環(huán)節(jié)之一?！尽康纫匀毡緡娀馂硵M建的水中懸浮隧道工程的設(shè)計(jì)為背景,依據(jù)重力相似準(zhǔn)則在波浪池中進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn),模型長度比尺為.:,主要研究了規(guī)則波和不規(guī)則波對(duì)水中懸浮隧道的作用,并對(duì)波浪作用下水中懸浮隧道的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值分析。在擬建的挪威赫格峽灣水中懸浮隧道工程計(jì)劃中,設(shè)計(jì)小組已完成了流體動(dòng)力荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響的模型實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值研究及環(huán)境荷載定位【。干滂【以浙江舟山金塘海峽水中懸浮隧道設(shè)

27、計(jì)資料為研究背景,進(jìn)行了懸浮隧道的節(jié)段模型試驗(yàn),目的是為了了解在波浪和水流荷載作用下的水中懸浮隧道的空間應(yīng)力分布,并對(duì)其所提出的在水中懸浮隧道結(jié)構(gòu)的整體分析中多采用的虛擬層合單元理論進(jìn)行了驗(yàn)證。該模型使用的材質(zhì)是姍厚的有機(jī)玻璃,長.,寬.,高.,模型的錨索采用直徑【的不銹鋼絲,通過粘結(jié)在模型管體上的索眼構(gòu)件與模型相連,為了防止模型發(fā)生滲漏水,在模型的兩端設(shè)置有砌厚的工程塑料隔板。王長春【】通過室內(nèi)管段模型試驗(yàn),研究洋流與水中懸浮隧道的相互作用。使用黑塑料模擬混凝土結(jié)構(gòu)真實(shí)管道,錨索采用直徑的鋼絲進(jìn)行模擬,并以有限元分析為基礎(chǔ)進(jìn)行了流體.結(jié)構(gòu)耦合的數(shù)值分析。孫勝男【】通過水中懸浮隧道地震響應(yīng)的模

28、型試驗(yàn),分析了懸浮隧道地震時(shí)的反應(yīng)特點(diǎn),以及懸浮隧道地震響應(yīng)的影響因素。隧道管體模型采用聚氯乙第一章緒論烯材料制作,整個(gè)模型長,外徑.,壁厚啪,錨索采用直徑.、間距為的鋼絞線模擬,考慮到水下試驗(yàn)的防漏要求,懸浮隧道的兩端采用板密封。.其他相關(guān)研究謝立廣【等通過解析方法和數(shù)值方法對(duì)懸浮隧道管段接頭的力學(xué)特性進(jìn)行了分析,影響管段接頭力學(xué)特性的因素主要有結(jié)構(gòu)尺寸、接頭部件的材料特性和管段水力壓接的初始狀態(tài)等。林祥金和李靜【】運(yùn)用蒙特卡羅方法、層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等基本理論對(duì)水中懸浮隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量的分析,為水中懸浮隧道風(fēng)險(xiǎn)管理提供了有效的分析工具。孫勝男和陳健云【等對(duì)水中懸浮隧道在地震作用下的

29、動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析,分別分析了不同海底巖土參數(shù)及不同頻率和入射方向的波和波對(duì)懸浮隧道所受的動(dòng)水壓力的影響。董滿生和葛斐等冽采用混合法研究張力腿定位的曲線形水中懸浮隧道的溫度內(nèi)力,認(rèn)為溫度升高導(dǎo)致隧道膨脹或收縮所產(chǎn)生的軸向力很小,主要是徑向力,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生扭矩和彎矩。.論文研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線由于我國在水中懸浮隧道的研究方面還處于起步階段,并且對(duì)水中懸浮隧道的研究主要集中在總體概念的設(shè)計(jì)方面,對(duì)其基礎(chǔ)應(yīng)用方面的研究存在嚴(yán)重的不足,例如,水中懸浮隧道設(shè)計(jì)荷載和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的研究,結(jié)構(gòu)形狀、截面形狀和主要構(gòu)筑物的研究,結(jié)構(gòu)的線性、非線性方面的研究,結(jié)構(gòu)的靜力響應(yīng)分析和動(dòng)力響應(yīng)分析,結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法

30、的研究,深水基礎(chǔ)的施工關(guān)鍵工藝和程序的研究,隧道運(yùn)營安全性問題方面的研究,隧道運(yùn)營階段的維護(hù)與維修方面的研究,針對(duì)性的模型試驗(yàn)研究等。針對(duì)水中懸浮隧道的研究現(xiàn)狀、進(jìn)展以及所存在的研究不足,本文主要在水中懸浮隧道的設(shè)計(jì)荷載和結(jié)構(gòu)的截面形狀方面進(jìn)行了以下內(nèi)容的研究:介紹了水中懸浮隧道的概念、特點(diǎn)、發(fā)展歷程及結(jié)構(gòu)分析的進(jìn)展。從隧道管體結(jié)構(gòu)、隧道支撐錨固體系、隧道的模型試驗(yàn)等方面介紹了國內(nèi)外對(duì)水中懸浮隧道結(jié)構(gòu)分析方面的研究進(jìn)展,提出了其研究方向和應(yīng)重點(diǎn)研究的關(guān)鍵性技術(shù)問題,以為我國進(jìn)一步開展有關(guān)研究和制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范時(shí)提供參考;對(duì)作用在水中懸浮隧道上的荷載進(jìn)行總結(jié),并對(duì)作用在水中懸浮隧道上的第一章緒

31、論波浪力和水流力的計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)分析;采用空間梁?jiǎn)卧?建立水中懸浮隧道結(jié)構(gòu)的有限元力學(xué)模型,通過大型有限元分析軟件分析流速、張力腿角度、懸浮深度對(duì)橢圓形,.、橢圓形玎.、橢圓形,.、橢圓形刁.、橢圓形叩.、圓形和多邊形斷面的水中懸浮隧道的影響,根據(jù)水中懸浮隧道的整體受力狀態(tài),對(duì)不同斷面的水中懸浮隧道進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),確定合理的斷面形式,并給出水中懸浮隧道設(shè)計(jì)的合理建議;利用流體計(jì)算軟件程序進(jìn)行水中懸浮隧道的繞流場(chǎng)模擬,對(duì)橢圓形,.、橢圓形,.、橢圓形瑁.、橢圓形,.、橢圓形玎.、圓形和多邊形斷面在不同水流流速下的壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)的對(duì)比分析。深海懸浮隧道的荷載組合與效應(yīng)分析的研究路線如圖.所示。圖.深

32、海懸浮隧道的荷載組合與效應(yīng)分析技術(shù)路線. “ ”觚鋤 唱 第二章作用在水中懸浮隧道上的荷載分析第二章作用在水中懸浮隧道上的荷載分析.荷載分類水中懸浮隧道作為一種新型的海洋工程結(jié)構(gòu)物,其主要適用于內(nèi)陸湖和海峽,由于海峽的自然環(huán)境條件要遠(yuǎn)比內(nèi)陸湖惡劣得多,所以一般對(duì)水中懸浮隧道環(huán)境作用的研究主要針對(duì)海洋的環(huán)境條件。對(duì)水中懸浮隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的外部環(huán)境現(xiàn)象涉及的內(nèi)容相當(dāng)廣泛,其中物理環(huán)境包括氣象學(xué)中的氣溫和風(fēng)等因素;海洋水文包括波浪、潮汐、水流、海嘯、海冰等現(xiàn)象:海岸周邊的地理地貌及海底地基基礎(chǔ)的力學(xué)性能,海底泥沙的運(yùn)動(dòng),海岸的變遷等:化學(xué)環(huán)境包括管段和支撐系統(tǒng)的腐蝕現(xiàn)象;海洋生物學(xué)包括海洋生物附著

33、在水中懸浮隧道上的現(xiàn)象【】。由于海峽惡劣的自然環(huán)境使得水中懸浮隧道所受到的荷載作用極為復(fù)雜,我們?cè)趯?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析前,首先必須確定其所處的環(huán)境及所受到的荷載。荷載的確定是水中懸浮隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工的基礎(chǔ),同時(shí)也對(duì)工程造價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)性分析和使用壽命等起著舉足輕重的作用。根據(jù)水中懸浮隧道所處的環(huán)境,一般認(rèn)為作用在水中懸浮隧道上的荷載可以分為環(huán)境荷載、永久荷載、功能荷載、變形荷載和偶然荷載等五種。具體的荷載分類及產(chǎn)生的原因如表.所示【。表.水中懸浮隧道上的荷載.荷載種類 產(chǎn)生原因環(huán)境荷載 波浪、水流、渦流、潮汐等產(chǎn)生的荷載永久荷載 結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力功能荷載 交通、施工、壓倉荷載等溫度改變、不均勻沉降

34、、蠕變、收縮、變形荷載施工引起的殘余應(yīng)力等地震、交通事故、沉船、爆炸、船只碰撞等產(chǎn)生的偶然荷載荷載浮隧道所受的各種荷載中,除結(jié)構(gòu)自重和所受的靜水壓力必須考慮外,波浪、:流、渦流等環(huán)境荷載與汽車荷載相比要大得多,最具破壞力,往往是懸浮隧道 計(jì)時(shí)最重要的控制荷載,因此永久荷載、波浪力和水流力等是水中懸浮隧第二章作用在水中懸浮隧道上的荷載分析道計(jì)算所必須考慮的基本荷載。故本文主要對(duì)波浪所產(chǎn)生的荷載與水流所產(chǎn)生的荷載進(jìn)行了初步的分析。.波浪理論在海洋工程中,波浪是其所受的最主要的荷載之一,人們?cè)诤茉缫郧熬烷_始了對(duì)波浪的研究。自然界中波浪的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜,目前對(duì)波浪的研究一般從兩個(gè)方面進(jìn)行,一是對(duì)于簡(jiǎn)單的

35、波浪運(yùn)動(dòng),從流體力學(xué)方面加以研究,研究液體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征,稱之為規(guī)則波浪理論。另一個(gè)是對(duì)復(fù)雜的隨機(jī)波浪運(yùn)動(dòng),將波浪運(yùn)動(dòng)看成是隨機(jī)的過程,研究波浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性,從而了解波浪運(yùn)動(dòng)過程中其內(nèi)部的波動(dòng)能量分布特性,從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度對(duì)流體內(nèi)部所有水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行描述,研究波浪對(duì)海洋工程的影響,同時(shí)還需要運(yùn)用到流體力學(xué)理論,對(duì)液體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在理想波動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行描述,稱為隨機(jī)波浪理論【】【】【】。規(guī)則波浪理論是運(yùn)用流體力學(xué)理論揭示液體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)本質(zhì),如在波浪運(yùn)動(dòng)過程中的水質(zhì)點(diǎn)壓力分布和速度分布等,為研究作用在海洋工程結(jié)構(gòu)上的波浪力以及波浪所引起的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)等提供理論基礎(chǔ),進(jìn)而為海洋工程結(jié)構(gòu)

36、的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。規(guī)則波浪理論包括解析法和數(shù)值法兩種方法,解析法主要是由經(jīng)典的波浪理論構(gòu)成,又可以分為線性波浪理論和非線性波浪理論。線性波浪理論適【,用于波幅或波高相對(duì)于波長為無限小時(shí),即等一般在.一下,其中日為,波高,為水深及數(shù)%半尋其中為波峰項(xiàng)端處于水面以上的升高,三為波長,一般在實(shí)際工程中通常采用微幅波理論來分析波浪力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。工程中常用的非線性波浪理論有:司托克斯波理論、橢圓余弦波理論、孤立波理論和擺線波理論。由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及數(shù)值方法的發(fā)展,是數(shù)值波浪理論的應(yīng)用的得到了一定的發(fā)展,而工程中應(yīng)用較為廣泛的數(shù)值方法為流函數(shù)理論。經(jīng)過人們對(duì)波浪進(jìn)行大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行

37、仔細(xì)的分析后,發(fā)現(xiàn)海浪是一種隨機(jī)現(xiàn)象,可以利用概率統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行研究,于是隨機(jī)波浪理論在此基礎(chǔ)上應(yīng)用而生。波浪理論的分類見圖.。第二章作用在水中懸浮隧道上的荷載分析圖.波浪理論的分類. 舊蘸:巧由于目前的海洋工程計(jì)算普遍采用的是規(guī)則波浪理論,且以解析法中的線性理論應(yīng)用最為廣泛,所以本節(jié)在介紹波浪理論時(shí)主要介紹了規(guī)則波浪理論的一些基本內(nèi)容。.線性波浪理論 波理論小振幅波對(duì)波浪的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化,是一種比較最簡(jiǎn)單的波浪運(yùn)動(dòng),在共水面呈現(xiàn)出簡(jiǎn)諧形式的起伏,流體中的水質(zhì)點(diǎn)作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),并且其運(yùn)動(dòng)的圓頻率彩是固定的,同時(shí)波是以一定的速度稱為波速向前傳播,波浪中線與靜水面相互重合。一般說來,海洋中實(shí)際發(fā)生的波動(dòng)

38、都不能用簡(jiǎn)單波動(dòng)來描述,但這種簡(jiǎn)單的波動(dòng)分析,對(duì)解決較復(fù)雜的波動(dòng)問題仍是十分必要的,它是研究復(fù)雜的有限振幅波和隨機(jī)波的基礎(chǔ)。線性波的速度勢(shì)函數(shù)認(rèn)五,為:.認(rèn)刪等?篙鏟缸訓(xùn)在流體內(nèi)部的各點(diǎn),處水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的水平方向的分速度“分速度為,:“:鯉:壁絲.絲生望生一耐礅 配:鯉:絲.坐垡望覷一耐毖 彩動(dòng)捌在微幅線性波浪理論中,可以將流場(chǎng)內(nèi)由于各點(diǎn)速度不同而弓第二章作用在水中懸浮隧道上的荷載分析忽略,這樣在流體內(nèi)部點(diǎn),處水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的水平分加速度口,及垂直分加速度口:為:.厶 口,:塑絲:塑.絲型塵虹一研口.一?二?二膩一研 “班 研 ,膨.厶口.:生孚:一絲.業(yè)覷一研、 口.一一一?二?一耐 出 國 腳波

39、動(dòng)水域內(nèi)任一點(diǎn),處的壓強(qiáng)為:.石:一鏟絲竺.絲叢型覷一耐懈手。贏產(chǎn)覷一耐 ,.有限波幅理論波理論當(dāng)波面的振幅很大時(shí),運(yùn)用線性波浪理論求解時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,因此需要尋求更為高階的解,而有限波幅理論就是解決這個(gè)問題的。關(guān)于這方面的研究,是由最早進(jìn)行的,在年發(fā)表的一篇論文中用一個(gè)級(jí)數(shù)來表示波浪運(yùn)動(dòng)的速度勢(shì)函數(shù),然后在水面處將該級(jí)數(shù)展開,并使該函數(shù)滿足非線性的波面邊界條件,這樣就可以得到有限水深情況下的二階近似解和無限水深情況下的三階近似解。其后在年,又發(fā)表了第二篇關(guān)于這方面研究的論文,在這篇論文中他使用了另外一種方法研究了有限水深情況下的三階近似解和無限水深情況下的五階近似解。由于在工程上二階近

40、似有限波幅理論運(yùn)用較為廣泛,因此本小節(jié)只介紹求解二階近似解的相應(yīng)公式。有限波幅理論的速度勢(shì)函數(shù),為:烈刪警?篙筍奴刮警篇血缸側(cè). 曉 敞在流體內(nèi)部的點(diǎn),處水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的水平方向的分速度“及垂直方向的分速度為:、 、 ”警等?篙筍嘁缸訓(xùn)警籌礎(chǔ)缸刮旺, 氖 彩 動(dòng)塒 幽材、 、 甜警等?警呱側(cè)警器礎(chǔ)缸刮眨, 昆國刪 媯塒在有限波幅理論中,仍然將流速場(chǎng)內(nèi)由于各點(diǎn)的速度不同而引起的加速度項(xiàng)省略,這樣在流體內(nèi)部的點(diǎn)“力處水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的水平方向分加速度口,及垂直方向分加速度口.為:第二章作用在水中懸浮隧道上的荷載分析、 。 、 。魯?shù)润?墮鬟筍;缸一卅吾腳彘缸一硼 改 、 。矗.聹磁.、 、 、 呸罷害竽?訾

41、貼訓(xùn)蝌者硼缸訓(xùn) 。破 辦材 刪.向材.波動(dòng)水域內(nèi)任一點(diǎn),處的壓強(qiáng)為:硎抽一等拋婦學(xué)警?,眨七、 譬氅一薹警一餅。日,婦捌、 矗材.橢圓余弦波理論波理論波浪傳入近岸水域較淺的區(qū)域后,海底邊界處的摩阻力影響迅速增加,波形和波高將會(huì)不斷變化,波峰附近的波面將會(huì)變得非常陡。而在兩個(gè)波峰之間卻隔著一段很長而且非常平的水面,波陡波高與波長之比與兩波峰處水流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)系將減弱,相對(duì)波高波高與水深之比與其之間的關(guān)系將增強(qiáng),即決定波浪運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的主要因素是波陡和相對(duì)波高。在對(duì)淺水區(qū)域進(jìn)行計(jì)算的情形下,即使用高階數(shù)的有限波理論,也不能達(dá)到我們所需要的精度。此時(shí)就需要采用可以考慮了波陡與相對(duì)波高的波浪理論來對(duì)

42、波浪的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述,這就是橢圓余弦波理論,運(yùn)用該理論可以得到相應(yīng)的結(jié)果。 。橢圓余弦波是指在靠近海岸線區(qū)域的水深比較淺的條件下出現(xiàn)的波,該波的波幅是有限的、波的周期較長長波。因?yàn)檫@種波的波面高度是用雅可比鋤橢圓余弦函數(shù)來表示的,所以這種波被稱為橢圓余弦波。橢圓余弦波理論最早是在年由和、提出的,其后由肌及,等人進(jìn)一步的研究并應(yīng)用于工程實(shí)踐。經(jīng)過多年時(shí)間的研究,在年提出了可供工程應(yīng)用的一階理論;年.鵬在一階理論的基礎(chǔ)上發(fā)展了二階理論;在年又發(fā)展了三階理論;在年便提出了用于實(shí)踐工程的可以展開到任意階數(shù)的橢圓余弦波浪理論;在年利用鋤.:吮在年提出的速度勢(shì)公式得到了另一種形式的橢圓余弦波理論。.孤立波理

43、論波理論線性波理論描述的是純粹的周期波,即水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是完全封閉的且沒有凈位移;而非線性波理論表示出了波浪在傳播方向的質(zhì)量遷移,即水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí),該種波浪稱為移動(dòng)波,孤立波屬于這種類型。在年,.首先發(fā)現(xiàn)了孤立波,并在年至年期間對(duì)其進(jìn)行了深入的研究,在研究中他發(fā)現(xiàn)孤立波的剖面形狀與孤立波形成的方法之間并無關(guān)系。其后,通過.,曲及.等人的進(jìn)一步研究,孤立波理論得到了很大的發(fā)展,并且得出了一些重要研究成果,.在年對(duì)之前研究人員的研究成果作了總結(jié)。.色,.等人也對(duì)孤立波理論進(jìn)行了一些研究,并獲得了關(guān)于孤立波的高階近似解方面一研究成果的。孤立波理論適用于水深非常淺的水域,可以將其看成是橢圓余弦波理論

44、的一種特殊情況,孤立波就是當(dāng)水深趨于很小時(shí)的極限橢圓余弦波。當(dāng)水深和波長的比值小于/時(shí),波就具有長波性,有限振幅波的約束性就大大減弱。波長雖然是有限的,但當(dāng)波長大到一定值時(shí),相鄰的波峰之間實(shí)際上已經(jīng)沒有聯(lián)系;此外,當(dāng)波為無限的孤立波時(shí),其運(yùn)動(dòng)只是集中在波峰附近,離波峰遠(yuǎn)處的質(zhì)點(diǎn)幾乎不運(yùn)動(dòng)。在自然界中,純粹的孤立波是不易形成的。但河道中出現(xiàn)的洪水波,或當(dāng)波浪傳播至近岸淺水區(qū)并接近破碎時(shí)的波面形狀和運(yùn)動(dòng)特征與孤立波比較的接近。因此在海洋工程結(jié)構(gòu)中為研究波浪的破碎水深、泥沙轉(zhuǎn)移以及分析破碎波對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物的影響等問題中,孤立波理論就得到了廣泛的應(yīng)用。.擺線波理論擺線波又叫坦谷水波,它是一種有限振幅

45、波,這種波的波峰較陡,波谷比較平坦,故又稱之為坦谷水波,由于一般情況下船舶航行時(shí)所遇到的水波波高與波長之比約為/,因此,以前造船師對(duì)擺線波理論的結(jié)果運(yùn)用的較為廣泛,但是由于擺線波理論假定流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是有限的,所以其在流體動(dòng)力學(xué)分析時(shí)就有很大的局限性,在現(xiàn)在的海洋工程結(jié)構(gòu)中基本上己不再使用。.波浪對(duì)懸浮隧道的作用分析.概述在近海工程的設(shè)計(jì)中,作用在水中結(jié)構(gòu)物上的波浪荷載的計(jì)算方法比較多,一般根據(jù)海洋工程結(jié)構(gòu)物的體積大小來確定計(jì)算方法。根據(jù)波浪的作用特點(diǎn),一般將海洋工程結(jié)構(gòu)物劃分為大體積與小體積或大構(gòu)件與小構(gòu)件兩種情況。對(duì)于大體積構(gòu)件,波浪的繞射效應(yīng)必須考慮,對(duì)于小構(gòu)件可分為曳力控制和慣性力控制

46、第二章作用在水中懸浮隧道上的荷載分析構(gòu)件。這也就形成了計(jì)算波浪荷載的兩個(gè)主要的方法:一是由等人在年提出的方程的計(jì)算方法,當(dāng)結(jié)構(gòu)的橫向尺寸與波長相比較小時(shí),那么在波動(dòng)場(chǎng)內(nèi)沒有被結(jié)構(gòu)擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)軸線處水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度和加速度、結(jié)構(gòu)的橫向尺寸將對(duì)作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力產(chǎn)生影響,公式同時(shí)還考慮到了水的黏性以及所產(chǎn)生的慣性對(duì)波浪力的影響。另一種方法是運(yùn)用繞射理論來計(jì)算波浪力,該理論是在年由鋤和提出的,它假定流體是不可壓縮、流體的運(yùn)動(dòng)是有勢(shì)的,并假定自由水面條件是線性化的【】?；诓煌募俣l件,公式與繞射理論都有各自的適用范圍,可根據(jù)波高、波長九及結(jié)構(gòu)在波浪方向上的投影尺寸之間的關(guān)系來確定,如圖.所示。徑耐

47、公式和繞射理論的適用范圍豳,絎猶砥鯽 遮.當(dāng)在/.且/名.的范圍內(nèi)時(shí),即圖中的區(qū),流體粘性和物體繞流對(duì)結(jié)構(gòu)的影響都較小,因此在計(jì)算波浪力時(shí)可以采用矗方程,且只計(jì)算其中的慣性力項(xiàng)。當(dāng)在日/.且/五.的范圍內(nèi)時(shí),即圖中的區(qū),物體的相對(duì)尺寸較小,物體的繞流影響很小,可以不考慮,但是由于波高較大,流體的粘性所引起的阻力增大,在計(jì)算波浪力時(shí),可以采用方程。當(dāng)在日/.且/名.的范圍內(nèi)時(shí),即圖中的區(qū),物體的相對(duì)尺寸較大,流體粘性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小,但繞流對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大,因此可以采用不考慮流體粘性效應(yīng)的波浪繞射理論計(jì)算波浪力。當(dāng)在日/.且/.的范圍內(nèi)時(shí),即圖中的區(qū),流體的粘性和物體繞流對(duì)結(jié)構(gòu)的影響都很大,嘶方

48、程和繞射理論都不適用。但在實(shí)際計(jì)算中, 基本不會(huì)出現(xiàn)日/.且/名.的情況【。在確定使用方程或者繞射理論之前,應(yīng)首先確定波浪的波高與波長,波長隨水深的不同而變化,不同水深區(qū)域的波長計(jì)算公式如下:淺水區(qū)域:.五.五丁過渡區(qū)域:.旯.允.兄:量洲型萬 元深水區(qū)域:.旯見:墨蘭 .萬?式中,為水深,旯為波長,丁為波浪周期,日為波浪高,波浪周期和波高可根據(jù)當(dāng)?shù)厮虻乃馁Y料確定。由于水深區(qū)域是根據(jù)波長和水深來確定,而波長正是所要計(jì)算的,所以只能先進(jìn)行試算。即先將參數(shù)代入公式算出波長,再根據(jù)所求得的波長來驗(yàn)算所使用的波長計(jì)算公式是否合理。.公式公式是于年在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的計(jì)算波浪荷載的公式,是一種帶

49、有經(jīng)驗(yàn)性的計(jì)算公式,其包含兩項(xiàng):一是慣性力項(xiàng),即流過墩柱的流體由于結(jié)構(gòu)的存在而引起流體的加速或減速所產(chǎn)生的力;二是阻力項(xiàng),即當(dāng)流體流過構(gòu)件時(shí)由于粘性的作用在構(gòu)件表面產(chǎn)生的阻力和在柱后尾流中產(chǎn)生漩渦而引起的阻力,因其大小與流體的流速有關(guān),故被稱為速度力。在運(yùn)用公式計(jì)算水中懸浮隧道上的波浪力時(shí)需要滿足以下幾個(gè)基本的假定【】:不考慮波浪力作用下結(jié)構(gòu)的變形、位移,即認(rèn)為懸浮隧道在波動(dòng)場(chǎng)中是一固定不動(dòng)的剛體;波動(dòng)方向與懸浮隧道軸線垂直,且沿軸向波動(dòng)情況相同,即將其簡(jiǎn)化為二維的平面應(yīng)變問題;通過波浪理論計(jì)算水質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)速度和加速度,并假定波浪特征不受結(jié)構(gòu)存在的影響;慣性力系數(shù)%和阻力系數(shù)根據(jù)已有的試驗(yàn)或經(jīng)

50、驗(yàn)確定。作用在懸浮隧道上的波浪力包括水平方向的力厶和豎直方向上的力左,其中水平方向上的力包括水平慣性力石和水平阻力厶。波浪力計(jì)算坐標(biāo)系統(tǒng)如圖.所示,軸為波浪的波動(dòng)方向,軸與懸浮隧道軸線平行,軸豎直向上。第二章作用在水中懸浮隧道上的荷載分析圖.波浪力計(jì)算坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖. 咖.嫩作用在單位長度的水中懸浮隧道上的水平波浪力為:.七其中慣性力麗:石鵬警鵬罷%鵬警阻力項(xiàng)為:厶寺如甜作用在單位長度的水中懸浮隧道上的垂直升力為:.無去礬“則作用在整個(gè)水中懸浮隧道上的總的水平波浪力為:.昂.:厶砂作用在整個(gè)水中懸浮隧道上的總的垂直升力為:.皖:五咖式中:?水中懸浮隧道中心位置處波浪水質(zhì)點(diǎn)的水平速度以;掣?水中懸浮隧道中心位置處波浪水質(zhì)點(diǎn)的水平加速度,;?流體密度咖;,?水中懸浮隧道縱向總的長度;第二章作用在水中懸浮隧道上的荷載分析么?水中懸浮