懸浮隧道縱向結(jié)構(gòu)受力工程規(guī)律研究

劉凌鋒 ，劉曉東 ，林巍 ，劉傲祥 ，魏佳奇 ，3

（1.中交懸浮隧道結(jié)構(gòu)與設(shè)計方法研究攻關(guān)組，廣東 珠海 519000；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；3.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

0 引言

懸浮隧道是懸浮于水面以下一定深度的管狀結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)成部分包括隧道管段、接頭與錨固系統(tǒng)等[1]，其縱向結(jié)構(gòu)則主要關(guān)心其線形、錨索布置等問題[2]。本文基于中交懸浮隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計與方法研究攻關(guān)組工作內(nèi)容，對包括水平線形、管節(jié)剛度、接頭剛度、纜索剛度、基礎(chǔ)沉降以及纜索失效等懸浮隧道縱向結(jié)構(gòu)相關(guān)工程參數(shù)開展研究，并對部分參數(shù)進行敏感性分析。

1 總述

本文分析采用有限元軟件ANSYS，并作如下假設(shè)：1）管體橫斷面沿縱向不變；2）兩端接岸接頭完全固結(jié)；3）不考慮中間接頭剛度變化，管節(jié)兩端固結(jié)；4）忽略錨索垂度；5）錨索不發(fā)生松弛；6）不考慮基礎(chǔ)與纜索耦合作用。

如無特殊說明，各章節(jié)研究算例及參數(shù)如表1所示。

表1 方法總述表Table 1 Summary of methods

2 水平線形

將平曲線形懸浮隧道響應(yīng)結(jié)果除以直線的，得圖1?？梢婋S著平曲率半徑增大，管體扭矩減?。ㄖ本€形懸浮隧道扭矩幾乎為0），水平彎矩及撓度總體呈線性增大并逐漸趨向于直線形懸浮隧道。

圖1 均布荷載作用下不同水平線形隧道管體的響應(yīng)Fig.1 Tunnel tube responseof different planealignment under uniform loading

顯然，從抵抗水平荷載作用效應(yīng)來看，圓曲線形比直線形懸浮隧道更優(yōu)，且曲率半徑越小，抵抗水流作用能力越強，管體所受水平彎矩也越小。但同時由于曲率半徑減小時，管體所受扭矩增大，所以圓曲線形懸浮隧道的曲率半徑應(yīng)在管體撓度、彎矩和扭轉(zhuǎn)的考量中取折中值。結(jié)合JTG D20—2017《公路路線設(shè)計規(guī)范》[3]，當(dāng)車速為120 km/h時，圓曲線最小半徑取1 000 m。因此對于本算例，曲率半徑在1 000 m以上且撓度和彎矩不超過承載力及規(guī)范要求時較好。

3 管節(jié)剛度

懸浮隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計時，管體不同抗彎剛度EI對懸浮隧道體系受力和變形影響較大。通過改變彈性模量E，將EI增大為其初始值的2～4倍，研究同等水平和豎向均布靜力荷載作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化（見圖2）。發(fā)現(xiàn)：隨著管體彈模增大，管體撓度及纜索纜力線性減小，管體彎矩和剪力增大，且彎矩增加速率大于剪力增加的速率。原因易理解：管節(jié)剛度增大，隧道變剛，故撓度減小，而增大剛度的管體分擔(dān)更多荷載，纜索分擔(dān)荷載相應(yīng)減小，故管體內(nèi)力增大，纜索纜力變小。

圖2 不同彈模時管體撓度和內(nèi)力變化趨勢圖Fig.2 Variation trend of tube deflection and internal force under different elastic modulus

4 接頭剛度

4.1 中間接頭剛度

懸浮隧道可能有中間接頭。通過在接頭部位設(shè)置3個平動、3個轉(zhuǎn)動共6自由度對應(yīng)的6個彈簧模擬特殊接頭剛度。將管體軸向剛度EA、抗彎剛度EI作為基準(zhǔn)剛度，中間接頭6個自由度的約束的彈簧剛度分別取為以上的0.001、0.005、0.01、0.05、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2 及 10 倍。發(fā)現(xiàn)：隨著中間接頭剛度增大，管體撓度減小，內(nèi)力增大，且水平響應(yīng)比豎向更敏感。圖3為管體撓度隨中間接頭剛度變化的曲線，當(dāng)中間接頭剛度達到基準(zhǔn)剛度0.2倍左右時，管體撓度和內(nèi)力趨于穩(wěn)定。該發(fā)現(xiàn)在接頭剛度設(shè)計取值時值得考慮。

圖3 管體撓度隨中間接頭剛度變化規(guī)律Fig.3 Variation of tube deflection with stiffnessof segmental joint

4.2 接岸接頭剛度

懸浮隧道接岸接頭是管體與岸邊的接頭，通過假設(shè)不同的接頭剛度組合，研究發(fā)現(xiàn)規(guī)律與中間接頭相同。

5 纜索剛度

5.1 剛度整體升降

拉錨式懸浮隧道設(shè)計時，改變纜索的彈性模量、截面面積、錨固間距或纜索夾角，將引起錨固系統(tǒng)整體剛度的變化。為研究錨固系統(tǒng)剛度整體升降如何影響懸浮隧道體系的受力狀態(tài)，固定其他參數(shù)不變，進行如下單因素變化分析：

1）假定纜索間距從50 m、100 m、150 m、200 m發(fā)生變化，在凈浮力和水流力作用下，研究隧道體系的響應(yīng)變化；

基于以上種種情況，高職院校培養(yǎng)的畢業(yè)生中，有不少人學(xué)業(yè)不精、業(yè)務(wù)不熟、做事浮躁。而用人單位所急需的是來則能戰(zhàn)、戰(zhàn)則能勝，專業(yè)知識熟記于心、業(yè)務(wù)嫻熟干練、溝通能力強的財務(wù)人員。高職院校培養(yǎng)的畢業(yè)生依然走不出“三三制”的怪圈：三分之一畢業(yè)即失業(yè)、三分之一能找到工作、三分之一能找到會計工作(即使找到會計工作的，也大多數(shù)是最基礎(chǔ)的收銀員、出納員之類)。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前我國持有會計從業(yè)資格證書人數(shù)約1600萬人，其中，正在從事或曾經(jīng)從事會計工作的約72%，沒有從事會計工作的約占28%。

2）固定其他參數(shù)不變，假定斜纜與豎直線夾角 α 從 15°、30°、45°、60°發(fā)生變化，在凈浮力和水流力作用下，研究隧道體系的響應(yīng)變化。

結(jié)果見表2。

表2 纜索間距和夾角變化對結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響的敏感系數(shù)表Table2 Sensitivity coefficient of cable spacing and cable angle changes to structureresponse

可見：1）纜索間距增大，隧道管體撓度、彎矩、剪力以及纜力均增大。原因在于在纜索間距變大，則錨固系統(tǒng)剛度降低，對管體的支持力度變小，因此結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力及撓度增大。此規(guī)律與第3節(jié)管節(jié)剛度研究結(jié)論吻合，錨固系統(tǒng)剛度與管節(jié)剛度存在此消彼長的關(guān)系；2）纜索夾角增大，隧道管體水平響應(yīng)減小，豎向響應(yīng)變大。原因在于纜索夾角增大時，錨固系統(tǒng)水平剛度增大，豎向剛度減??；3）對于本算例，纜索間距改變比其夾角改變對結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響更大。

5.2 局部剛度降低

分析當(dāng)隧道端部、1/4隧道長度位置以及隧道跨中分別發(fā)生單個錨固斷面纜索剛度降低0%（原剛度）、降低10%、50%和100%（即完全失效）時，共12個工況下隧道體系的響應(yīng)。獲得隧道撓度及內(nèi)力、纜索拉力對纜索局部剛度降低的敏感系數(shù)，剛度降低50%時的敏感系數(shù)見表3。

表3 纜索局部剛度降低敏感系數(shù)表Table 3 Sensitivity coefficient of local cable stiffness reduction

發(fā)現(xiàn)：1）纜索局部剛度降低，隧道管體撓度、內(nèi)力以及最大纜力均增大；2）管體撓度和最大纜力在跨中位置變化最敏感；管體內(nèi)力在1/4長度位置最敏感；3）任意位置的纜索剛度改變時，該纜索的纜力將發(fā)生劇烈變化。

5.3 斜纜與豎纜剛度分配

為探索斜纜與豎纜的剛度分配對懸浮隧道結(jié)構(gòu)體系靜動力響應(yīng)的影響，建立拉錨式懸浮隧道有限元模型，控制豎纜剛度值，讓斜纜剛度從0倍、0.2倍、0.4倍……1倍、2倍、4倍……10倍、1 000倍豎纜剛度進行變化，分別計算結(jié)構(gòu)在相同水流力作用下的內(nèi)力及變形，發(fā)現(xiàn)：

1）斜纜剛度/豎纜剛度=0時，隧道跨中轉(zhuǎn)角為0（小變形計算前提）；

2）隨著斜纜剛度/豎纜剛度增大，管體最大彎矩、剪力均減?。▓D4），對接岸接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計有利。但與此同時，隧道跨中轉(zhuǎn)角增大；

圖4 橫斷面抗力利用率Fig.4 Cross-section resistance utilization rate

3）當(dāng)斜纜剛度/豎纜剛度＞4時，隧道端部彎矩、剪力及跨中轉(zhuǎn)角均收斂。

上述發(fā)現(xiàn)可供拉錨式懸浮隧道纜索剛度分配比設(shè)計時參考。

5.4 海底形狀

海底形狀起伏將導(dǎo)致纜索長度變化，從而使纜索剛度產(chǎn)生變化。為探究海底形狀影響，對懸浮隧道錨在特征海床形狀與理想平底海床時進行典型動靜力工況計算并比較響應(yīng)結(jié)果，均布水流力作用下特征海床形狀與理想平底海床計算結(jié)果見表4。

可見，地形變化對結(jié)果影響大。本算例中，特征海底形狀的管體內(nèi)力偏小32%，原因是隧道兩端纜索長度短，剛度增大。作者通過改變海床凸凹進行其它計算計較。綜上結(jié)論是，工程計算不應(yīng)忽略海床面實際凸凹不平。

6 基礎(chǔ)不均勻沉降

對于自由式懸浮隧道，不存在錨固系統(tǒng)沉降的問題（因為沒有錨固系統(tǒng)）；對于浮筒式懸浮隧道，其錨固系統(tǒng)可能隨著水位變化而產(chǎn)生起伏，但可以通過浮筒內(nèi)壓載水量的變化進行調(diào)整；對于拉錨式懸浮隧道，其纜索與海底的錨固基礎(chǔ)在運營期間可能出現(xiàn)不均勻沉降的問題。

考慮3種全斷面纜索基礎(chǔ)沉降類型共9種沉降工況（圖5）：1）4處纜索沉降：海中段3～6號纜索同時發(fā)生基礎(chǔ)沉降；2）2處纜索沉降：3/6、4/5、3/5、3/4號纜索基礎(chǔ)沉降；3）單處纜索沉降：1、2、3、4號纜索分別發(fā)生基礎(chǔ)沉降。

圖5 計算示意圖Fig.5 Calculation schematic diagram

考慮4種同個錨固斷面纜索的不均勻沉降：1）單根豎纜沉降；2）單根斜纜沉降；3）2根豎纜沉降；4）1斜1豎沉降。并認(rèn)為懸浮隧道管體結(jié)構(gòu)可以承受這些沉降工況，僅比較不同沉降類型和沉降位置引起的管體及纜索內(nèi)力大小。

將不發(fā)生錨固基礎(chǔ)沉降的工況定義為基準(zhǔn)工況，計算得到所有沉降工況下的管體及纜索內(nèi)力后，分別除以基準(zhǔn)工況的相應(yīng)內(nèi)力值，從而將各內(nèi)力無量綱化，如圖6所示。

圖6 基礎(chǔ)不均勻沉降工況計算結(jié)果Fig.6 Calculation resultsof uneven foundation settlement conditions

可見：1）沉降工況引起管體響應(yīng)及纜索內(nèi)力的增大；2）全斷面纜索基礎(chǔ)沉降組合中，4處纜索沉降工況引起的響應(yīng)最小，單處纜索沉降引起的響應(yīng)最大，且靠近隧道端部的纜索沉降比跨中纜索沉降更為不利，1號近岸纜索基礎(chǔ)沉降工況為所有沉降工況中的最不利工況；3）單根斜纜沉降引起的內(nèi)力增量最小，2根豎纜沉降工況與1斜1豎沉降工況對管體及纜索內(nèi)力影響近乎相同。

7 纜索失效分析

考慮圖5（a）中的1斷面、2斷面、3斷面或4斷面發(fā)生纜索全斷面失效。計算獲得各工況隧道管體撓度及內(nèi)力，并用與第3節(jié)同樣的方法將各工況內(nèi)力無量綱化，見圖7。

圖7 全斷面纜索失效工況內(nèi)力計算結(jié)果圖Fig.7 Internal force calculation result of full section cable under failure condition

發(fā)現(xiàn)：1）纜索失效位置越靠近隧道跨中，則纜索失效引起的管體撓度越大；2）對于本算例，纜索最大拉力與纜索失效位置沒有明顯關(guān)系，纜索失效對纜力影響不大；3）從隧道管體最大彎矩和最大剪力來看，2斷面纜索失效為最不利工況。

以橫斷面2斜2豎纜索布置形式為例，分析同個錨固斷面中2種單根纜索失效工況：1）單根豎纜失效；2）單根斜纜失效。計算結(jié)果與基準(zhǔn)工況比值見圖8。

圖8 單根纜索失效工況計算結(jié)果圖Fig.8 Calculation results of single cable failure condition

可見：1）單根纜索失效對管體內(nèi)力影響不大，對纜索拉力及管體撓度影響較大；2）單根豎纜失效比單根斜纜失效影響大。

8 結(jié)語

本文主要發(fā)現(xiàn)：1）懸浮隧道水平曲率半徑應(yīng)綜合考慮管體撓度、彎矩和扭轉(zhuǎn)并結(jié)合規(guī)范進行取值；2）管節(jié)剛度與纜索剛度對隧道體系的影響此消彼長，接頭剛度變化與管節(jié)剛度變化影響規(guī)律類似；3）近岸纜索沉降或單根豎纜沉降是較不利的；4）跨中纜索失效引起管體撓度增量較大。