水中懸浮隧道結構疲勞損傷與可靠性研究

《水中懸浮隧道結構疲勞損傷與可靠性研究》是依託西南交通大學，由周曉軍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：水中懸浮隧道結構疲勞損傷與可靠性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：周曉軍
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

水中懸浮隧道在世界範圍內尚無成功套用的工程實例。本項目以錨索方式支撐的水中懸浮為研究對象，利用懸浮隧道模型試驗平台，採用模型試驗、理論分析以及數值計算相結合的研究方法，重點對具有圓形和橢圓形斷面的錨索式水中懸浮隧道管段結構及其錨索系統在洋流隨機振動作用下的疲勞和損傷特性進行測試與研究，以分析懸浮隧道結構和錨索受外部洋流和內部車輛等交變動荷載影響下的疲勞損傷與破壞模式，為評價懸浮隧道結構的長期安全性提供依據。同時，利用隧道結構和錨索體系內的交變應力以及結構動力學回響的測試與分析結果，研究影響水中懸浮隧道結構耐久性的主要因素，建立水中懸浮隧道結構在正常使用極限狀態和承載能力極限狀態下的失效評估方法，並評價水中懸浮隧道在洋流環境作用下的可靠性。

結題摘要

本項目採用模型試驗、理論分析和數值計算相結合的研究方法，對水中懸浮隧道結構疲勞損傷與可靠性進行了系統研究，完成了本項目申請所提出的主要研究內容。研究所取得的成果如下：具有圓形或橢圓形橫截面形式的水中懸浮隧道可降低波流產生的渦激振動，可明顯改善隧道結構的受力。對於用錨索支撐的懸浮隧道而言，因錨索過大的長細比而導致了較大的結構柔度。錨索的預張力愈大，錨索的固有頻率也愈大。當懸浮隧道受洋流渦激振動作用時結構的應力循環次數增加時，錨索的橫向振幅減小，其疲勞壽命將降低。在剪下流中，錨索的預張力越大，錨索潛在共振模態減少，各階模態鎖定區域增加，能量也增加，其阻尼也相應增加，錨索的疲勞壽命得到延長。 阻尼對錨索動力回響幅值影響很大，動水阻尼力越大，消耗的能量越多，減少錨索的振幅和交變應力循環的次數，對錨索的疲勞破壞起抑制作用。因此在應力集中範圍內加裝錨索的阻尼裝置，可減少錨索承受的疲勞損傷，延長其使用壽命。綜合分析後得出懸浮隧道錨索的橫向振動位移、振動周期、阻尼、預張力及其內部的平均應力是影響錨索疲勞壽命的關鍵因素。對於懸浮隧道結構本身而言，當管段結構在洋流渦激振動作用下且存在單一的渦泄頻率時，懸浮隧道在渦激升力作用下的動力回響呈簡諧函式變化，並且振動的一階模態起主導作用，因而對懸浮隧道進行動力回響分析時可只進行一階模態的分析。當升力係數和流速呈常態分配時，通過蒙特卡洛法模擬得到渦激升力幅值的機率分布符合極值Ⅰ型，隧道管段的跨中彎矩回響、支座剪力回響、跨中位移回響均服從對數分布。懸浮隧道在渦激振動下其結構承載能力極限狀態為彎曲強度所控制，其可靠性對隧道的跨徑非常敏感，通過對結構彎曲強度失效機率的分析，其跨徑不宜超過100m。因此水下懸浮隧道的跨度宜控制在100m以內。對於採用墩柱式支撐的懸浮隧道而言，此種支撐方式在靜水壓和定常流綜合作用下對懸浮隧道及其接頭的變形能夠起到很好的約束作用，可有效地防止過大位移對於懸浮隧道運營帶來的不利影響。在洋流作用下，採用模態疊加法對懸浮隧道錨索的渦激疲勞損傷進行分析，結果表明錨索的密度是影響錨索渦激振動的重要指標，隨著錨索密度的增加，其渦激振動位移、應力和損傷均顯著增加，洋流速度對錨索的渦激疲勞損傷影響最大，其次為錨索的長度。由此得出，懸浮隧道在洋流渦激振動作用下，錨索的流致疲勞損傷是影響懸浮隧道耐久性與可靠性的重要因素。