懸浮隧道的力學響應探討

【摘要】面對寬廣的海域，往往我們可以利用的交通手段極為有限，現在，科研專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力響應是我們不能忽視的問題。

【關鍵詞】懸浮隧道；動力響應；錨固方式；張力腿

1、前言

當面對江河等比較窄的水域時，人們往往利用橋梁或隧道而快速通行，但是，一旦面對褚如湖泊、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要實現的下一個夢想，而懸浮隧道最終將使得人類實現這一夢想。懸浮隧道，確切地說，是一種跨越海峽、湖泊以及其它水域的交通結構物，它一般由浸沒在水中一定深度的管狀結構、防止過大位移的錨固系統以及近岸連接的構筑物組成。從結構載荷以及結構形式的角度來看，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；但從使用角度來看，這種結構具有隧道的所有特點，因而被認為是“隧道”而不是“橋梁”。

2、懸浮隧道簡介

水中懸浮隧道，英文名稱“Submerged Floating Tunnel”，簡稱“SFT”。在意大利又稱“阿基米德橋（Archimedesbridge）”，簡稱“PDA”橋，是一種新型的穿越水域交通結構物。水中懸浮隧道從原理上講非常簡單，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，形成一條穩定橫貫在水中的隧道，其方法和我們在地下埋管道類似，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題要比地下管道復雜得多，因為管段在水中遠沒有在土壤中那么穩定，作用在隧道上的力不單單只有浮力，并不容易控制。

根據錨固方式的不同可將懸浮隧道分為以下三類：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計過程中通過調整管體斷面，使得結構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上浮的狀態，懸浮隧道管體則通過錨索與海床的基礎連接而實現固定目的。浮筒式懸浮隧道的設計原理是利用調整管體斷面，使得結構的比重大于水，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，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實現。固定支承式懸浮隧道的設計原理是調整管體斷面，保證結構整體比重大于水，在重力和浮力的共同作用下，讓懸浮隧道整個處在下沉狀態，懸浮隧道管體則通過立柱支撐在設計標高處。

3、懸浮隧道力學響應機制

由于懸浮隧道直接處于波流作用的環境中，因此海流、波浪荷載是懸浮隧道所受最主要的環境荷載。流體荷載常常是設計海洋結構物的控制荷載，它對工程的造價、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程中所處的環境條件都非常復雜，由于海浪方向多變性及漩渦交替釋放而產生的渦激作用力，懸浮隧道總會受到隨時間變化的動荷載作用，動力性態是它的一個顯著特征。由于懸浮隧道結構細長比大，其固有頻率范圍比較廣，當作用荷載的頻率與結構的某一階頻率相接近時便會引起結構的顯著振動，在其內部產生很大的內動力，以致結構破壞或產生不允許的變形。因此懸浮隧道動力問題的研究就成為了分析重點。

4、張力腿研究

水中懸浮隧道通過重力、浮力以及支撐系統之間的平衡懸浮在水下一定深度，且利用支撐系統維持懸浮隧道的穩定性。當懸浮隧道所受浮力大于重力時，則可采用錨索（張力腿）將其與水下的基礎連接起來，并平衡懸浮隧道的剩余浮力。作為懸浮隧道的支撐結構，錨索（張力腿）處于波浪和流的環境中，其自身的穩定直接影響到懸浮隧道的穩定性。因此，研究錨索（張力腿）在波浪和流作用下的動力響應問題尤為重要。

由管段和支撐系統組成的水中懸浮隧道為那些受環境限制的水域提供了穿越的可能性。以其在相比于傳統的跨越水域的固定方式具有能有效地減小對環境景觀的影響、良好抵御自然災害的能力、跨度增加而工程造價不顯著增加等優點而日益受到人們的重視。在既有的研究文獻中，對懸浮隧道張力腿的渦激振動問題研究得較多也較為深入，而對懸浮隧道本身的渦激振動問題研究得較少；在僅有的關于懸浮隧道管段本身的渦激振動研究中，無論是單跨懸浮隧道還是多跨懸浮隧道都簡化成單跨的簡支梁來研究；在研究懸浮隧道自身的振動中考慮錨索的影響則更少。

在洋流渦激作用下，懸浮隧道會發生橫流向振動，采用張力腿固定的懸浮隧道的張力腿在管體振動下會沿軸向發生變形，由于考慮到懸浮隧道修建的昂貴性和破壞后的災難性，懸浮隧道管體和張力腿的振動變形都是在材料彈性變形范圍內進行。

總結：

通過上述對水中懸浮隧道的力學響應的基本探討，總結出以下幾點觀點：

1）現有文獻主要針對懸浮隧道的管段形狀、鏈接方式、錨固方式進行探討，很多模擬的模型都采用簡化的方式，在一定程度上造成對真實環境模擬的不足；

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，現有的計算方式都存在著一定的弊端；

3）針對懸浮隧道的一些建造、營運、維護方式還需進一步完善文獻，懸浮隧道不同于往常現有的交通形式，要做到未雨綢繆才能更好地建造懸浮隧道。

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作者簡介：

孔鵬，1989，10，29，男 漢，籍貫：山東濟寧，重慶交通大學，研究方向：工程結構動力學方向。