懸浮隧道的力學(xué)響應(yīng)探討

【摘要】面對(duì)寬廣的海域，往往我們可以利用的交通手段極為有限，現(xiàn)在，科研專(zhuān)家提出了一種新型的交通通道，那就是水中懸浮隧道。在水中，隧道的受力情況不同于傳統(tǒng)的地下隧道，它受到多種海洋荷載的作用。如何處理這些荷載以及懸浮隧道的動(dòng)力響應(yīng)是我們不能忽視的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】懸浮隧道；動(dòng)力響應(yīng)；錨固方式；張力腿

1、前言

當(dāng)面對(duì)江河等比較窄的水域時(shí)，人們往往利用橋梁或隧道而快速通行，但是，一旦面對(duì)褚如湖泊、峽灣甚至海洋等寬闊水面，人們通常采用船舶或者跨海大橋通行。繼開(kāi)辟陸地和空中的快速通道后，如何快速跨越廣袤的水域是人類(lèi)要實(shí)現(xiàn)的下一個(gè)夢(mèng)想，而懸浮隧道最終將使得人類(lèi)實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想。懸浮隧道，確切地說(shuō)，是一種跨越海峽、湖泊以及其它水域的交通結(jié)構(gòu)物，它一般由浸沒(méi)在水中一定深度的管狀結(jié)構(gòu)、防止過(guò)大位移的錨固系統(tǒng)以及近岸連接的構(gòu)筑物組成。從結(jié)構(gòu)載荷以及結(jié)構(gòu)形式的角度來(lái)看，懸浮隧道更像是一種全封閉的水下橋梁，而與普通意義上的隧道有很大差別；但從使用角度來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)具有隧道的所有特點(diǎn)，因而被認(rèn)為是“隧道”而不是“橋梁”。

2、懸浮隧道簡(jiǎn)介

水中懸浮隧道，英文名稱(chēng)“Submerged Floating Tunnel”，簡(jiǎn)稱(chēng)“SFT”。在意大利又稱(chēng)“阿基米德橋（Archimedesbridge）”，簡(jiǎn)稱(chēng)“PDA”橋，是一種新型的穿越水域交通結(jié)構(gòu)物。水中懸浮隧道從原理上講非常簡(jiǎn)單，主要是利用水的浮力、自身重力和錨固體系共同作用。由于管段的中間是空的，整個(gè)管段的體積很大，獲得的浮力也就很大，管段因此浮在水中，而本身還受到錨固體系的作用，形成一條穩(wěn)定橫貫在水中的隧道，其方法和我們?cè)诘叵侣窆艿李?lèi)似，土壤好比湖泊或者海峽里的水，地下管道就像懸浮在水中的隧道。不同的是，地下管道借助的是土壤的支撐，而水中懸浮隧道借助的是水的浮力。但是，水中懸浮隧道面臨的問(wèn)題要比地下管道復(fù)雜得多，因?yàn)楣芏卧谒羞h(yuǎn)沒(méi)有在土壤中那么穩(wěn)定，作用在隧道上的力不單單只有浮力，并不容易控制。

根據(jù)錨固方式的不同可將懸浮隧道分為以下三類(lèi)：張力腿式懸浮隧道、浮筒式懸浮隧道以及固定支撐式懸浮隧道。張力腿式懸浮隧道采用的原理是在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整管體斷面，使得結(jié)構(gòu)的整體比重小于水的比重，在浮力與重力的共同作用下使隧道整體保持一個(gè)上浮的狀態(tài)，懸浮隧道管體則通過(guò)錨索與海床的基礎(chǔ)連接而實(shí)現(xiàn)固定目的。浮筒式懸浮隧道的設(shè)計(jì)原理是利用調(diào)整管體斷面，使得結(jié)構(gòu)的比重大于水，在重力與浮力的共同作用下，使得懸浮隧道整體保持下沉的狀態(tài)，懸浮隧道管體之間的固定則采用錨桿與水面浮筒的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。固定支承式懸浮隧道的設(shè)計(jì)原理是調(diào)整管體斷面，保證結(jié)構(gòu)整體比重大于水，在重力和浮力的共同作用下，讓?xiě)腋∷淼勒麄€(gè)處在下沉狀態(tài)，懸浮隧道管體則通過(guò)立柱支撐在設(shè)計(jì)標(biāo)高處。

3、懸浮隧道力學(xué)響應(yīng)機(jī)制

由于懸浮隧道直接處于波流作用的環(huán)境中，因此海流、波浪荷載是懸浮隧道所受最主要的環(huán)境荷載。流體荷載常常是設(shè)計(jì)海洋結(jié)構(gòu)物的控制荷載，它對(duì)工程的造價(jià)、安全度及工作壽命起著舉足輕重的作用。

懸浮隧道在修建和使用過(guò)程中所處的環(huán)境條件都非常復(fù)雜，由于海浪方向多變性及漩渦交替釋放而產(chǎn)生的渦激作用力，懸浮隧道總會(huì)受到隨時(shí)間變化的動(dòng)荷載作用，動(dòng)力性態(tài)是它的一個(gè)顯著特征。由于懸浮隧道結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)比大，其固有頻率范圍比較廣，當(dāng)作用荷載的頻率與結(jié)構(gòu)的某一階頻率相接近時(shí)便會(huì)引起結(jié)構(gòu)的顯著振動(dòng)，在其內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)動(dòng)力，以致結(jié)構(gòu)破壞或產(chǎn)生不允許的變形。因此懸浮隧道動(dòng)力問(wèn)題的研究就成為了分析重點(diǎn)。

4、張力腿研究

水中懸浮隧道通過(guò)重力、浮力以及支撐系統(tǒng)之間的平衡懸浮在水下一定深度，且利用支撐系統(tǒng)維持懸浮隧道的穩(wěn)定性。當(dāng)懸浮隧道所受浮力大于重力時(shí)，則可采用錨索（張力腿）將其與水下的基礎(chǔ)連接起來(lái)，并平衡懸浮隧道的剩余浮力。作為懸浮隧道的支撐結(jié)構(gòu)，錨索（張力腿）處于波浪和流的環(huán)境中，其自身的穩(wěn)定直接影響到懸浮隧道的穩(wěn)定性。因此，研究錨索（張力腿）在波浪和流作用下的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題尤為重要。

由管段和支撐系統(tǒng)組成的水中懸浮隧道為那些受環(huán)境限制的水域提供了穿越的可能性。以其在相比于傳統(tǒng)的跨越水域的固定方式具有能有效地減小對(duì)環(huán)境景觀的影響、良好抵御自然災(zāi)害的能力、跨度增加而工程造價(jià)不顯著增加等優(yōu)點(diǎn)而日益受到人們的重視。在既有的研究文獻(xiàn)中，對(duì)懸浮隧道張力腿的渦激振動(dòng)問(wèn)題研究得較多也較為深入，而對(duì)懸浮隧道本身的渦激振動(dòng)問(wèn)題研究得較少；在僅有的關(guān)于懸浮隧道管段本身的渦激振動(dòng)研究中，無(wú)論是單跨懸浮隧道還是多跨懸浮隧道都簡(jiǎn)化成單跨的簡(jiǎn)支梁來(lái)研究；在研究懸浮隧道自身的振動(dòng)中考慮錨索的影響則更少。

在洋流渦激作用下，懸浮隧道會(huì)發(fā)生橫流向振動(dòng)，采用張力腿固定的懸浮隧道的張力腿在管體振動(dòng)下會(huì)沿軸向發(fā)生變形，由于考慮到懸浮隧道修建的昂貴性和破壞后的災(zāi)難性，懸浮隧道管體和張力腿的振動(dòng)變形都是在材料彈性變形范圍內(nèi)進(jìn)行。

總結(jié)：

通過(guò)上述對(duì)水中懸浮隧道的力學(xué)響應(yīng)的基本探討，總結(jié)出以下幾點(diǎn)觀點(diǎn)：

1）現(xiàn)有文獻(xiàn)主要針對(duì)懸浮隧道的管段形狀、鏈接方式、錨固方式進(jìn)行探討，很多模擬的模型都采用簡(jiǎn)化的方式，在一定程度上造成對(duì)真實(shí)環(huán)境模擬的不足；

2）在管段、錨固件與流體之間的流固耦合作用并不能完整的模擬出固體-流體之間相互作用的情況，現(xiàn)有的計(jì)算方式都存在著一定的弊端；

3）針對(duì)懸浮隧道的一些建造、營(yíng)運(yùn)、維護(hù)方式還需進(jìn)一步完善文獻(xiàn)，懸浮隧道不同于往?，F(xiàn)有的交通形式，要做到未雨綢繆才能更好地建造懸浮隧道。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋克志，鄧建俊，王夢(mèng)恕.煙大渤海海峽隧道的可行性研究初探[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，01：121-129.

[2]康寧.對(duì)美國(guó)幾個(gè)城市地鐵和水下隧道的觀感.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001，38（4）：9-13.

[3]董國(guó)賢.論水下隧道抗災(zāi)的生命力與優(yōu)越性.地下空間，2001，21（2）：117-120.

[4]宋建，陳百玲，范鶴.水下隧道穿越江河海灣的綜合優(yōu)勢(shì).隧道建設(shè)，2006，26（3）：9-10，16.

[5]李劍.水中懸浮隧道概念設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)研究：（博士學(xué)位論文）.上海：同濟(jì)大學(xué)，2003.

麥繼婷，關(guān)寶樹(shù).瓊州海峽懸浮隧道的可行性研究.鐵道工程學(xué)報(bào)，2003，（4）：93-96.

[6]麥繼婷.波流作用下懸浮隧道的響應(yīng)研究：（博士學(xué)位論文）.成都：西南交通大學(xué)，2005.

作者簡(jiǎn)介：

孔鵬，1989，10，29，男 漢，籍貫：山東濟(jì)寧，重慶交通大學(xué)，研究方向：工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方向。