兩端自由橢圓形管段模型波浪荷載下截面關鍵點加速度的試驗研究

王 方, 李 科, 丁 浩, 李鵬輝, 何 田, 黃 博, 3, 程 亮, *

(1. 招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067; 2. 重慶交通大學土木工程學院, 重慶 400074;3. 重慶交通大學 山地橋梁與隧道工程國家重點實驗室, 重慶 400074)

0 引言

隨著溝槽發育的復雜地形逐漸成為水下隧道的建設條件,傳統工法面臨著愈加嚴峻的挑戰[1]。懸浮隧道作為一種全封閉新型結構[2],依靠浮力和錨索張力保持動力平衡從而跨越海峽海灣,其憑借自身獨特優點,成為21世紀最具有競爭力的跨海結構之一[3]。然而至今還沒有實際應用工程,原因之一為所受外部荷載種類繁多,動力特性復雜[4]。因此,開展波浪場作用下懸浮隧道管體的加速度特性研究,對早日實現懸浮隧道工程應用具有實際意義。

國內外針對懸浮隧道動力響應問題已開展了大量深入研究,并取得了重大進展。例如: 陽志文等[5]利用波流水槽構建懸浮隧道縱向截斷模型試驗,分析了波浪作用對懸浮隧道運動響應的影響,獲得了管體結構的垂向及橫向運動響應特性;李勤熙等[6]、Li等[7]、蔣樹屏等[8]通過1∶80的物理模型試驗,開展了隨機波浪作用下的水中懸浮隧道力學模型試驗;Luo等[9]建立理論水動力模型,研究了纜長、浮力重比、周期、波陡、水深等參數對波浪荷載作用下懸浮隧道動力響應的影響;Sun等[10]將受拉支腿假設為端鉸接的非線性梁模型,采用 Galerkin法和 Runge-Kutta法求解,結果表明懸浮隧道張力腿的參數振動響應與末端激勵的幅值、頻率有關;Chen等[11]提出了一種研究懸浮隧道管索系統非線性動力響應的理論方法,揭示了在參數激勵和水動力激勵聯合作用下懸浮隧道的動態特性;Yang等[12]介紹了波浪與懸浮隧道相互作用過程中懸浮隧道運動的試驗觀測,并深入分析了波高、波周期、潛深、浮力重比、系泊線角等控制參數對懸浮隧道運動的影響;Drost[13]開展波流作用下淹沒矩形圓柱體的流體動力學和運動學試驗研究,分析了不同系泊角度和淹沒深度組合下加速度動力響應;Deng等[14]通過開展自震蕩模型試驗,研究了雙管懸浮隧道模型的橫流渦激振動特性;Oh等[15]通過二維波浪水槽物理試驗,研究了波浪作用下懸浮隧道動力響應。

雖然現有研究取得了豐富的實質性成果,但也存在著許多不足: 目前所研究懸浮隧道的動力響應大多比較寬泛,較少學者針對懸浮隧道加速度特性開展具體深入的研究,且研究方法主要是理論推導和數值模擬,僅有少量學者開展單因素、小比尺的相似模型試驗。本文在現有研究基礎上設計定制大尺度試驗模型,開展兩端自由橢圓形管段模型試驗,分析討論規則波浪荷載作用下管體加速度特性,以期完善懸浮隧道的動力響應理論。

1 模型試驗設置

1.1 試驗裝置

本試驗地點為招商局重慶交通科研設計院有限公司內部水下隧道實驗室,實驗室配備了大型波流水池、造波系統和室內大型可移動拖車等裝備[16]。水池的尺寸為24 m×24 m×3 m(長×寬×深),滿足大范圍波流場的試驗要求。造波系統主要由造波整列、伺服電機、造波機控制器和計算機控制系統構成,它可以模擬在0.5～2.0 s周期和2.5～20 cm波高內的規則線性波、不同譜型的隨機波以及各類非線性波浪,且具有自動迭代功能。大型可移動拖車主要用于移動固定試驗模型和設備。此外,水池末端設置了一定坡度的消波層,該消波層設計為網箱結構,外框使用鋁合金型材,內填塑料盲溝板,主要用于減小波浪反射和吸收波浪能量。

1.2 試驗模型與測量儀器

1.2.1 試驗模型

基于瓊州海峽跨海通道背景和前人的研究[17-18],本試驗選擇具有代表性的橢圓形斷面,并根據幾何形狀采用雙向6車道交通方案。在滿足JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》[19]和Froude相似準則條件下,根據斷面結構尺寸、水深、波浪等諸多要素以及水池和造波系統的性能指標,模型縮尺選定為60。浮重比為1.3∶1,主要為管節模型的重量,纜繩重量相對較小,可忽略不計,剩余浮力由錨索系統來平衡。模型設計為雙管節,管道邊界設置為兩端自由,截面的長短軸為0.75 m × 0.317 m。為了避免模型在荷載作用下發生結構破壞,模型壁厚取8 mm,尺寸誤差均控制在±0.5 mm。試驗模型主要參數如表1所示。采用亞克力模型制作內部隔板,用于加強模型整體抗變形能力。模型和儀器安裝布置如圖 1所示。

1.2.2 試驗儀器

本試驗采用加速度傳感器測量管體的加速度情況,可在水下采集管體加速度時程信息,最大量程和精度分別為2.0 g和0.3%,采樣率高達4 kHz,誤差為∠±0.1%F.S,能夠對管體的微小反應進行準確捕捉。加速度傳感器通過防水膠粘貼在管體端部中心正上方,并通過內部的水準校訂裝置控制方向,保證加速度傳感器Z方向與重力加速度方向相同,Y方向與波浪傳播方向相向,X方向與管節長度方向相同。連接線用防水膠帶與管體緊密粘貼,且擺放與加速度傳感器Y方向一致,避免線纜對波浪傳播產生影響,從而影響試驗的準確性。

1.2.3 設置安裝

首先將水池水位放至指定深度,在放置結構物前,先進行造波系統調試,驗證試驗波浪的準確性。在波浪荷載調試完成后,隨即開展正式試驗,模型安裝在波流水池中間,距離造波推板約12 m,以保證波浪充分傳播和發展;距離消波層約14 m,防止反射波的影響,配重組裝和傳感器粘結均完成的模型由吊車吊裝到安放位置,接著進行防水檢測和調試。通過水密性測試后,按照圖 1(c)方式連接錨索,模型兩側各布置4根錨索,采用預裝的金屬環連接裝置連接;錨索與模型連接后,另一端穿過水池底部滑輪裝置,滑輪底部預留一定的空間,保證錨索在拉應力作用下繞滑輪平穩滑動。錨索通過滑輪后,與預裝的拉力傳感器采用不銹鋼夾頭連接,每根錨索用2個不銹鋼夾頭緊固,防止錨索滑動,確保試驗過程中模型固定可靠、振動影響可控。水池水位增加到1.8 m,其他裝置架設完成后,放水至預定水深2.2 m,最后確保模型懸浮在水下0.4 m處。

1.3 試驗參數與數據采集

根據我國東海岸海洋觀測站的波浪參數統計資料[20],選取試驗波浪參數如下: 試驗時水池水深d保持2.2 m不變,入射波高H為0.05 ～ 0.10 m,波周期T為0.8 ～ 1.1 s,波浪傳播方向始終垂直于懸浮隧道模型截面。為了減少測量結果的重復誤差,保證試驗結果的可靠性,每組試驗一般重復3次,取3次試驗的平均值。

試驗波浪由計算機控制推板產生,波浪參數會受到多種因素的影響,正式試驗前在造波系統輸入參數進行調試,以驗證生成波浪的準確性。使用測波儀測量無模型中心位置處的入射波高,選取采集的多周期規則波面時程與線性波理論解析進行對比,結果如圖2所示。可以看出: 1)不同工況中波浪的傳播均較穩定,2種規則波浪的變化趨勢一致; 2)試驗波面與理論解吻合非常好,誤差在3%以內,這表明試驗設備能生成準確穩定的規則波。

(a) H=0.06 m,T=0.86 s (b) H=0.07 m,T=0.96 s

(c) H=0.08 m,T=1.06 s (d) H=0.09 m,T=1.1 s

2 管體加速度時程

2.1 波高對加速度時程影響

選取周期為0.9 s,波高分別為0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10 m的6種工況,分析波高對管體的X、Y、Z3個方向加速度時程的影響。其中,X方向為管體長度方向(簡稱為管體縱向),Y方向為波浪傳播方向(簡稱為管體橫向),Z方向與重力加速度方向相同(簡稱為管體豎向)。不同波高下管體加速度時程曲線如圖 3所示。

由圖 3可以看出: 1)當波高較小(小于0.08 m)時,管體的縱向加速度相應較小,在1個波浪周期內近似呈先增大后減小的變化規律,且與波浪作用有較大的相關性。這主要是波浪的反射以及波浪與結構的相互作用引起的。2)橫向加速度遠大于縱向加速度。造成這種現象主要是因為橫向為規則波浪的傳播方向,水質點的橫向運動帶動了管體的橫向運動。3)橫向加速度在波高小于0.07 m時呈現不規律的變化趨勢,甚至出現了雙峰及多峰現象,并且正向加速度持續時間要遠大于負向加速度持續時間。產生該現象主要原因是波浪在傳播到管體附近時,前一個波浪帶動水體作用于結構物,會產生相應的反射,其反射波與下一個波浪相互作用,波浪與反射波的相互作用以及波浪與結構物的相互作用共同導致了多峰的現象,這為典型的非線性變化趨勢。隨著波高的持續增加,橫向加速度逐漸發展為單峰變化趨勢。4)豎向加速度在小波高時存在著較為復雜且無規律變化。其變化規律為1個波浪周期出現2次峰值,隨著波高的增加,第2個峰值逐漸減小,直至消失。5)當波高為0.10 m時,豎向加速度呈現非線性較強的周期變化,在加速度正向變化較為劇烈,而在負向變化較為緩慢。

(c) 波高0.07 m (d) 波高0.08 m

(e) 波高0.09 m (f) 波高0.10 m

在周期一定的情況下,波高從0.05 m增大到0.10 m,可以發現3個方向的管體加速度均呈現增大的變化趨勢。產生這種現象的原因是因為波高越大,水深處水質點受波浪影響越大,水質點能量越多,導致加速度越大。隨著波高的增加,管體橫向加速度時程峰值處從原有的高頻轉向低頻,且加速度峰值有較為明顯的非線性增長趨勢;豎向加速度時程隨著波高的增加呈現周期性的變化規律。

2.2 周期對加速度時程影響

選取波高為0.10 m,周期分別為0.8、0.9、1.0、1.1 s的4種工況,分析波浪周期對管體的X、Y、Z3個方向加速度時程的影響。不同周期下管體加速度時程曲線如圖 4所示。

(a) 周期 0.8 s (b) 周期 0.9 s

(c) 周期 1.0 s (d) 周期 1.1 s

由圖 4可以看出: 1)周期由0.8 s增加到0.9 s時,管體橫向和豎向加速度時程發生了較大變化,縱向加速度變化較小,其變化規律也未有明顯變化。2)橫向加速度逐漸發展為單峰變化,在一個波周期內先增加到峰值,后迅速減小至最小值,繼而迅速上升至峰值,并且橫向加速度由正向加速度較大逐漸轉變為負向加速度遠遠大于正向加速度。這表明管體在短時間內速度變化較大,在大波高工況下橫向負加速度的作用不可忽視。3)豎向加速度呈現非線性較強的周期變化,在正向變化較為劇烈,在負向變化較為緩慢。4)當周期T為1.0 s時,縱向加速度呈現較為規則的變化趨勢,橫向負加速度遠大于正加速度,豎向加速度也呈現較為顯著的非線性周期變化。雖然較大波高會導致波陡的增大進而引起波浪破碎等現象,但同樣波浪的周期性會使豎向加速度更具有周期性和規律性,在錨索的作用下,管體向上運動會受到約束,向下運動會更加緩和。5)當波浪周期為1.1 s時,可以觀察到管體3個方向的加速度變化規律的非線性有所減弱。其中,縱向加速度呈現雙峰波動,且基本保持正向加速度狀態;橫向加速度的非線性也同樣有所減弱,主要在峰值處波動減弱;豎向加速度呈現了較為明顯的單峰狀態。

在波高一定的情況下,管體的加速度時程在小周期的波浪作用下呈現出高頻多峰特征,主要是由于小周期時波浪的波長較小,導致在波浪高度相同的情況下波陡值增大,進而引發波浪破碎現象;同時較小波長的波浪作用在結構上,將導致模型產生較為高頻的運動。隨著波浪周期的增大,波長也相應增加,使得波陡降低,減弱波浪破碎和能量耗散,同時波長與結構尺寸比值的變化也導致模型的動態響應有所區別。

2.3 加速度傅里葉變換頻域

為了更全面地了解波浪作用下管體加速度的頻域特性,對模型管體縱向、橫向、豎向加速度進行傅里葉變換。

不同波高下管體加速度的傅里葉變換頻譜對比如圖 5所示。可以看出: 1)在波浪荷載作用下,當波高較小時,管體的縱向加速度頻域顯示出較為明顯的低頻現象(即頻率1.113～2.225 Hz),出現了2個峰值,在約1.113 Hz頻率處的最大值為0.000 7 m/s2。2)管體的橫向加速度頻域具有較寬的頻率區和更高的幅值,并表現出更多的隨機特性,出現多個峰值,其能量集中在頻率1.113～8.901 Hz,同樣在頻率約1.113 Hz時的最大值為0.006 5 m/s2。3)管體的豎向加速度頻域現象和橫向加速度相似,同樣表現出較多的隨機性,出現多個峰值,不同的是在約2.225 Hz頻率處的最大值為0.006 2 m/s2。隨著波高的增大,3個加速度頻率區均發生了較大的變化。4)縱向加速度仍顯示出明顯的低頻現象,但僅出現唯一峰值,同樣在約為1.113 Hz頻率處出現最大值,但最大值增大為0.011 2 m/s2。5)橫向加速度頻率同樣具有較寬的頻率區和更高的幅值,且出現多個峰值。這再次說明了非線性變化現象,主要原因是波浪與反射波的相互作用以及波浪與結構物的相互作用。各個峰值相差不大,在頻率約為2.225 Hz時的最大值為0.040 2 m/s2。6)豎向加速度頻域變化最大,能量集中在頻率1.113～4.451 Hz。頻率區變窄,在低頻區約1.113 Hz處的最大值為0.057 0 m/s2,幅值約增大了9倍。

(a) 波高0.05 m

(b) 波高0.10 m

不同周期下管體加速度的傅里葉變換頻譜對比如圖 6所示。可以看出: 1)在波浪荷載作用下,當波高一定時,隨著周期由0.8 s增大為1.1 s,縱向加速度仍處于低頻率區。2)當小周期時,在頻率約1.252 Hz時的最大值為0.001 7 m/s2。3)當較大周期時,在頻率約0.910 1 Hz時的最大值為0.006 0 m/s2,幅值增大了3倍。4)橫向加速度的頻率區變寬,其能量集區由頻率為1.252～6.260 Hz變為0～8.646 Hz,并表現出更多的隨機性,由3個峰值增加為多個峰值。5)周期為1.1 s時,橫向加速度具有更高的幅值,幅值最大值由0.010 2 m/s2增大為0.019 8 m/s2。6)豎向加速度頻率具有更寬的頻率區和更高的幅值,同樣表現出更多的隨機特性,出現了3個幅值相同的峰值,在頻率約為0.910 Hz和1.820 Hz處的最大值為0.029 8 m/s2。7)在大周期條件下,其能量集中區域為0.910～6.371 Hz。

(a) 周期0.8 s

(b) 周期1.1 s

3 管體加速度極值

通過對模型管體加速度的時程變化分析,可以較為明顯地看出波浪作用下加速度的非線性變化情況。為進一步探明波高和周期對模型管體加速度的影響情況,下文針對模型管體加速度最大值和最小值的變化情況展開討論。

3.1 波高對加速度極值影響

選取周期為1.0 s,波高分別為0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10 m的6種工況,分析波高對管體的X、Y、Z3個方向加速度極值的影響。不同波高下模型加速度極值變化如圖 7所示。

圖7 不同波高下模型加速度極值變化圖

由圖 7可以看出: 1)隨著波高的增大,管體的縱向加速度呈現較大程度的波動。造成該現象的原因為縱向加速度主要由波浪的反射以及波浪與結構物的相互作用造成,其絕對值一般較小,變化也較為不穩定,導致了加速度極值不穩定現象。2)縱向加速度隨波高的變化呈現較為對稱的分布,即最大值和最小值的絕對值近乎一致。這種現象說明在反射波浪以及波浪與結構的相互作用下,模型縱向呈現對稱的振動響應。3)橫向加速度最大值和最小值均隨著波高的增加而增大。在波高小于0.08 m時,橫向加速度的增長趨勢較為線性,而當波高達到0.09 m時,橫向加速度最大值急劇增大,最小值急劇減小,并且隨著波高的繼續增大,橫向加速度的變化幅度較小。造成該現象的主要原因可能是大周期波浪下,隨著波陡的降低,一方面導致了波浪在大波高處不易發生破碎,造成能量損失;另一方面是波長與結構尺寸之比的增加也會導致波高對結構響應的影響加大。該現象也發生在管體豎向加速度的變化規律上。

3.2 周期對加速度極值影響

選取波高0.10 m,周期分別為0.8、0.9、1.0、1.1 s的4種工況,分析波浪周期對管體的X、Y、Z3個方向加速度極值影響。不同周期下模型加速度極值變化如圖8所示。

由圖 8可以看出: 1)隨著周期的增大,管體縱向、橫向和豎向加速度最大值均呈現先增大后減小的趨勢,最小值也均呈現先減小后增大的趨勢。2)當周期小于1.0 s,管體縱向、橫向和豎向加速度呈現近似線性變化趨勢。3)周期為1.0 s,管體縱向、橫向和豎向加速度達到峰值。4)當周期增長到1.1 s時,可以發現管體縱向、橫向和豎向加速度呈現最大值減小、最小值增大的變化趨勢。這種現象表明,隨著波浪周期的增大,波浪對模型動力響應的影響先增大后減小,該現象和波長與結構橫向尺寸比值相關,當波長與結構橫向尺寸之比達到一定值時,波浪對結構物的動力響應影響最大。

4 結論與建議

本文基于模型試驗開展在波浪荷載作用下兩端自由橢圓形管段動力響應研究,分析討論波高、周期參數對模型管體的加速度時程變化和極值大小的影響,主要結論與建議如下:

1)當周期一定時,模型管體縱向、橫向、豎向3個方向的加速度均隨著波高的增大而增大。當波高逐漸增大時,縱向加速度變化較小,最大值呈現較大程度的波動,最小值變化較為穩定,呈現持續減小的趨勢;橫向加速度時程峰值處從原有的高頻轉向低頻,且加速度峰值有較為明顯的非線性增長趨勢;豎向加速度隨著波高的增加呈現多周期的變化規律,在一個波周期范圍內,豎向加速度2個周期的峰值差距呈現先減小后增大的趨勢,且最小值符合線性增長的趨勢,最大值增長趨勢與橫向加速度相似,但在大波高時增長幅度有所下降。

2)當波高一定時,模型管體的加速度時程在小周期的波浪作用下呈現出高頻多峰趨勢,隨周期呈現了非線性的變化規律,豎向加速度的規律性較為顯著,特別是正向加速度持續時間有明顯增長。隨著周期的增大,管體的縱向、橫向、豎向加速度極值大小均呈現先增大后減小的趨勢。

3)本文只研究了一種環境荷載,不夠全面,對于其他種類荷載作用下兩端自由橢圓形管段的動力響應分析有待于進一步的研究。

4)本文試驗模型邊界設置為自由端,未采用節段剛度與原懸浮隧道約束及剛度等效的方式進行模擬及試驗,未來可針對此方向進一步開展研究。