梁 波， 蔣博林, 2,*

(1. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2. 重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 402260)

水中懸浮隧道交通荷載模擬方法研究

梁 波1， 蔣博林1, 2,*

(1. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2. 重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 402260)

為研究水中懸浮隧道交通荷載的合理模擬方法以及交通荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，借鑒鐵路、公路交通荷載的模擬方法，綜合考慮車輛輪載、路面不平度、行車速度以及外部激勵(lì)荷載等影響因素的共同作用，提出水中懸浮隧道交通荷載的模擬表達(dá)式。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，分析懸浮隧道交通荷載的變化特征，并研究不同交通荷載模擬方法對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移響應(yīng)的影響。結(jié)果表明： 文章提出的交通荷載模擬方法計(jì)算結(jié)果符合移動(dòng)振動(dòng)荷載的波動(dòng)性和周期性特征。在對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移響應(yīng)影響方面，固定均布荷載相當(dāng)于靜載，移動(dòng)集中荷載和移動(dòng)振動(dòng)荷載時(shí)的位移變化幅值相對(duì)固定均布荷載時(shí)的大且影響相似，但移動(dòng)振動(dòng)荷載時(shí)的振幅稍大，體現(xiàn)了交通荷載中動(dòng)荷載部分對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移響應(yīng)的影響，更適合用來(lái)模擬懸浮隧道中的交通荷載。

水中懸浮隧道； 交通荷載； 移動(dòng)振動(dòng)荷載； 數(shù)值模擬； 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

0 引言

由于水中懸浮隧道相比其他傳統(tǒng)跨水域結(jié)構(gòu)(如懸索橋、沉管隧道等)具有長(zhǎng)度短、經(jīng)濟(jì)性好、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)[1]，近年來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注。在懸浮隧道的相關(guān)研究中，必須考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部的交通荷載，并需采取合理的模擬形式。關(guān)于懸浮隧道內(nèi)部交通荷載的模擬方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究。F.Perotti等[2]指出由于懸浮隧道結(jié)構(gòu)類似于水中封閉的橋梁，且橋梁交通荷載的研究相對(duì)成熟，因此懸浮隧道交通荷載模擬方法可參考橋梁交通荷載的模擬方式； G.Martire[3]在模擬懸浮隧道交通荷載時(shí)，按照歐洲相關(guān)規(guī)范中研究橋梁交通荷載的方法，將其以固定均布荷載的形式進(jìn)行加載； S.Tariverdilo等[4]將懸浮隧道中的交通荷載模擬為沿管體縱向移動(dòng)的集中力，并在此基礎(chǔ)上研究了移動(dòng)荷載激勵(lì)下懸浮隧道的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律； 董滿生等[5]將交通荷載簡(jiǎn)化為一系列等間距移動(dòng)的集中荷載，建立懸浮隧道動(dòng)力學(xué)模型，并研究張力腿豎向剛度、交通荷載大小以及行車間距對(duì)懸浮隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響； 項(xiàng)貽強(qiáng)等[6]提出建立流體-懸浮隧道-車輛系統(tǒng)耦合振動(dòng)的理論模型來(lái)探究移動(dòng)荷載作用下系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制及減振措施。在已有的研究中，主要將懸浮隧道內(nèi)部交通荷載簡(jiǎn)化為均布荷載或移動(dòng)集中荷載的形式，但未對(duì)實(shí)際交通荷載的動(dòng)荷載性質(zhì)進(jìn)行充分考慮。本文采用移動(dòng)振動(dòng)荷載的方式模擬懸浮隧道中的交通荷載，考慮其波動(dòng)性和周期性，并同時(shí)考慮外部激勵(lì)荷載中波流作用對(duì)交通荷載的影響。利用提出的交通荷載模擬表達(dá)式，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，分析交通荷載的變化規(guī)律，并研究不同交通荷載模擬方法對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移響應(yīng)的影響。

1 懸浮隧道交通荷載構(gòu)成及影響因素

1.1懸浮隧道交通荷載構(gòu)成

交通荷載是一種與車輛構(gòu)造、路面性能、路表狀況、行車速度以及外部激勵(lì)荷載等因素有關(guān)的動(dòng)荷載，而非固定荷載。因此，在懸浮隧道結(jié)構(gòu)中，由車輛產(chǎn)生的動(dòng)荷載一般也分為2部分： 一部分是車輛自重，即固定荷載； 另一部分是車輛在路面上行駛時(shí)由于振動(dòng)產(chǎn)生的附加動(dòng)荷載。

由于車輛振動(dòng)產(chǎn)生的原因不同，還可將附加動(dòng)荷載分為由隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部誘因產(chǎn)生和外部激勵(lì)產(chǎn)生2部分。內(nèi)部誘因主要來(lái)自于車輛自身構(gòu)造、路面不平度、行車速度等； 而外部激勵(lì)則主要來(lái)自于懸浮隧道周邊環(huán)境荷載，如波浪、水流、潮汐、海嘯產(chǎn)生的荷載等。環(huán)境荷載的激勵(lì)作用會(huì)造成整個(gè)懸浮隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，這時(shí)內(nèi)部的車輛與懸浮隧道結(jié)構(gòu)可視為整體，因此內(nèi)部車輛也會(huì)隨之相應(yīng)振動(dòng)，繼而產(chǎn)生動(dòng)荷載。懸浮隧道交通荷載構(gòu)成如圖1所示。

圖1 懸浮隧道交通荷載構(gòu)成示意圖

1.2懸浮隧道交通荷載影響因素

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，目前還鮮有將懸浮隧道中的交通荷載與外部激勵(lì)荷載的影響結(jié)合起來(lái)統(tǒng)籌考慮的研究成果。結(jié)合已有鐵路、公路工程中的交通荷載研究資料[7-8]以及懸浮隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文擬將車輛輪載、路面不平度、行車速度和外部激勵(lì)荷載等因素作為懸浮隧道中交通荷載的主要影響因素進(jìn)行研究。

1.2.1 車輛輪載

車輛的動(dòng)力學(xué)性能完全是由車輛自身的動(dòng)力參數(shù)決定的。車輛動(dòng)力參數(shù)涉及很多方面，包括車輛本身的因素，如軸距、軸重、簧下質(zhì)量、懸掛體系、車橋阻尼、輪胎剛度等。在研究懸浮隧道中交通荷載的影響因素時(shí)，本文將車輛輪載所涉及的參數(shù)(如軸重、簧下質(zhì)量等)作為重要因素考慮進(jìn)去。

1.2.2 路面不平度

在懸浮隧道中，隧道內(nèi)的道路路面是不可能絕對(duì)平整的，這種偏離理想狀態(tài)的不平整稱為路面不平度。路面不平整是引起交通附加動(dòng)荷載的主要原因，如圖2所示，路面不平度按波長(zhǎng)可分為長(zhǎng)波、短波和粗糙紋理3種類型[9]。其中長(zhǎng)波引起車輛的低頻振動(dòng)，短波引起車輛的高頻振動(dòng)，而粗糙紋理引起輪胎的行駛噪聲。本文研究的交通荷載附加動(dòng)荷載主要考慮短波類型的路面不平度。

圖2 路面不平度的分類

1.2.3 行車速度

車輛行駛速度對(duì)交通荷載有較大影響，隨著行車速度增大，動(dòng)載中數(shù)值偏大的荷載所占的比例急劇升高，造成交通荷載值也相應(yīng)增大，且行車安全也受影響。另外，車輛勻速行駛與變速行駛對(duì)交通荷載的影響也不一樣。本文研究中的行車速度采用我國(guó)隧道行車限速范圍內(nèi)的勻速行駛。

1.2.4 外部激勵(lì)荷載

懸浮隧道與普通公路、鐵路隧道相比，其交通荷載的特點(diǎn)是必須考慮環(huán)境激勵(lì)荷載的影響。由于懸浮隧道位于流體中，導(dǎo)致懸浮隧道結(jié)構(gòu)同時(shí)承受靜水壓力以及附加動(dòng)水壓力，這會(huì)引起懸浮隧道結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境激勵(lì)荷載的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響內(nèi)部的交通荷載。懸浮隧道的附加動(dòng)水壓力主要由波浪、水流、地震、海嘯等引起，其中波浪和水流是最重要的環(huán)境激勵(lì)荷載。當(dāng)波浪和水流流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)的懸浮隧道管體時(shí)，在一定的流速條件下，可在懸浮隧道管體兩側(cè)交替形成強(qiáng)烈的漩渦，漩渦的泄放會(huì)對(duì)隧道管體產(chǎn)生一個(gè)周期性的升力，使隧道管體在與流向垂直的方向上發(fā)生橫向振動(dòng)。除了橫向振動(dòng)外，流體阻力還可使隧道管體沿流動(dòng)方向發(fā)生縱向振動(dòng)，但縱向振動(dòng)比橫向振動(dòng)的幅值約小1個(gè)數(shù)量級(jí)，頻率約為橫向振動(dòng)頻率的2倍。一般情況下，渦激縱向振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響遠(yuǎn)小于渦激橫向振動(dòng)[10]。在本文研究過(guò)程中，考慮波流共同作用對(duì)交通荷載的影響，并同時(shí)計(jì)算懸浮隧道管體結(jié)構(gòu)的渦激縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)位移響應(yīng)。

2 懸浮隧道交通荷載模擬表達(dá)式

2.1交通荷載模擬要素

交通荷載是一種隨機(jī)性荷載，其運(yùn)動(dòng)和大小都是隨機(jī)變化的，與上述提到的諸多因素有關(guān)。在已有的公路、鐵路交通荷載研究中，常將交通荷載按照振動(dòng)荷載進(jìn)行模擬，本文擬采用移動(dòng)振動(dòng)荷載模擬懸浮隧道中的交通荷載。移動(dòng)振動(dòng)荷載是以一定頻率和幅值的周期性動(dòng)載來(lái)模擬交通荷載。這種模擬方式能較好地反映車輛動(dòng)荷載特性，并可以通過(guò)改變振動(dòng)規(guī)律的方式進(jìn)行不同交通量以及不同軸載車輛荷載的模擬。這里結(jié)合鐵路及公路交通荷載的模擬方法，分析懸浮隧道交通荷載模擬要素。

在鐵路列車荷載研究方面，文獻(xiàn)[7]提出用一個(gè)激勵(lì)力函數(shù)來(lái)模擬列車荷載，與豎向輪軌力主要出現(xiàn)在低頻范圍(0.5～10 Hz)、中頻范圍(30～60 Hz)、高頻范圍(100～400 Hz)相對(duì)應(yīng)的，反映不平順、附加動(dòng)荷載和軌面波形磨耗效應(yīng)的激勵(lì)力來(lái)模擬輪軌之間的相互作用力，即列車荷載

F(t)=p0+p1sinω1t+p2sinω2t+p3sinω3t。

(1)

式中:p0為車輪靜載；p1、p2、p3分別為鋼軌振動(dòng)圓頻率ω1、ω2、ω3對(duì)應(yīng)的振動(dòng)荷載幅值。

其中,

(2)

式中:m0為列車簧下質(zhì)量；ai為相應(yīng)于不同振動(dòng)圓頻率條件下的幾何不平順矢高，反映路況；ωi為振動(dòng)圓頻率,ωi=2πvt/Li，其中vt為列車的運(yùn)行速度，Li為幾何不平順曲線的波長(zhǎng)。

在公路交通荷載研究方面，由于道路的振動(dòng)不考慮軌道及道床的影響，比鐵路列車荷載相對(duì)簡(jiǎn)單一些，文獻(xiàn)[8]中提出一種簡(jiǎn)單的、能反映其周期特點(diǎn)和幾何不平順的類似激振形式的力來(lái)近似地表達(dá)汽車荷載：

(3)

式中：p0為車輪靜載；p為振動(dòng)荷載幅值，僅考慮主要由路面不平順引起的交通動(dòng)荷載；m0為汽車簧下質(zhì)量；a為幾何不平順矢高，反映路況；ω為振動(dòng)圓頻率，ω=2πvc/L，其中vc為汽車的運(yùn)行速度，L為幾何曲線波長(zhǎng)。

從以上鐵路及公路交通荷載的模擬方法可以看出，交通荷載模擬的要素主要包括： 1)車輪靜載； 2)軌面或路面的幾何不平順； 3)行車速度； 4)車輛自身構(gòu)造(如簧下質(zhì)量等)。而在研究懸浮隧道中的交通荷載時(shí)，根據(jù)前面分析的影響因素，本文除考慮以上要素之外，還考慮外部激勵(lì)荷載(波流作用)的影響。

2.2交通荷載模擬表達(dá)式

通過(guò)以上分析，本文考慮外部激勵(lì)荷載(波流作用)的影響，擬采用式(4)來(lái)表征懸浮隧道內(nèi)部的交通荷載。

F(t)=p0+pd。

(4)

式中：p0為車輪靜載，代表交通荷載的靜載部分；pd代表交通荷載的動(dòng)載部分。

根據(jù)前文分析可知，懸浮隧道交通荷載的附加動(dòng)荷載由內(nèi)部誘因和外部激勵(lì)組成，因此，

(5)

式中：p1為由路面不平度引起的車輛振動(dòng)荷載幅值；p2為由外部激勵(lì)荷載(波流作用)引起的車輛振動(dòng)荷載幅值；m0為車輛的簧下質(zhì)量，反映車輛參數(shù)；A1為路面不平度，反映路面狀況；A2是由于波流作用引起的隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移，反映外部激勵(lì)荷載的影響;ω1是由路面不平度引起的車輛振動(dòng)圓頻率，ω1=2πvc/L1，其中vc為汽車的運(yùn)行速度，L1為幾何曲線波長(zhǎng)，取車身長(zhǎng)；ω2是波流作用下懸浮隧道結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)引起的車輛振動(dòng)圓頻率，取為渦激振動(dòng)頻率，ω2=ωs=2πSrvf/D，其中Sr為Strouhal數(shù)，通常取0.2[11]，vf為水流速度，D為管體截面寬度。

綜合以上公式，可得到懸浮隧道中交通荷載的模擬表達(dá)式，即

(6)

式(6)在已有交通荷載計(jì)算表達(dá)式的基礎(chǔ)上，考慮到懸浮隧道結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的特殊性，并添加了外部激勵(lì)荷載(波流作用)的影響。

3 交通荷載數(shù)值模擬與分析

3.1數(shù)值模擬參數(shù)及運(yùn)動(dòng)方程

3.1.1 模擬參數(shù)

鑒于目前世界范圍內(nèi)還沒(méi)有懸浮隧道工程實(shí)例，本文參考國(guó)內(nèi)外已有的設(shè)計(jì)資料及研究成果[12-13]，并根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，建立懸浮隧道模型(見(jiàn)圖3)，并選取相關(guān)計(jì)算參數(shù)(見(jiàn)表1)。

(a) 橫斷面

(b) 縱斷面

根據(jù)已有研究，懸浮隧道單節(jié)管段長(zhǎng)度多設(shè)計(jì)為100～200 m，本文僅選擇其中1段管段(100 m)進(jìn)行研究。支撐系統(tǒng)采用張力腿錨索，為保證懸浮隧道結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定，每組錨索含4根傾斜錨索，沿管體軸向間隔50 m布置。

關(guān)于交通荷載的模擬，假設(shè)相同車輛從管段兩端相向勻速行駛，選取的基本參數(shù)[8]： 車輪軸重為20 kN的小客車，簧下質(zhì)量120 N·s2/m，車身長(zhǎng)6 m； 路面不平度采用GB/T 7031—2005《機(jī)械振動(dòng) 道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告》中的路面功率譜的擬合形式，用計(jì)算機(jī)仿真生成各級(jí)路面的隨機(jī)不平度值[15]，偏安全考慮，本文采用A級(jí)路面隨機(jī)不平度值的標(biāo)準(zhǔn)差0.004 3 m； 行車速度根據(jù)隧道內(nèi)行車設(shè)計(jì)限速[14]，本文取80 km/h； 外部激勵(lì)荷載中的波流作用根據(jù)我國(guó)某一海域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[16]，選取波高1.0 m、波長(zhǎng)13.0 m、洋流流速1.0 m/s。

本文采用通用有限元分析軟件ANSYS以及流體分析模塊Fluent共同計(jì)算，考慮波流共同作用。波浪假定為Airy線性波，流體假定為不可壓縮的定常流，流體的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)一個(gè)標(biāo)量的速度勢(shì)函數(shù)φ來(lái)表示，該速度勢(shì)函數(shù)在流體域內(nèi)滿足拉普拉斯方程[17]，即

2φ=++=0。

(7)

自由界面方程z=η(x,y,t)，滿足的邊界條件為：

(8)

水底邊界條件為：

(9)

式中n為廣義單位法向矢量，n=(nx,ny,nz)。

表1 懸浮隧道數(shù)值模擬基本參數(shù)

流體采用RNGk-ε湍流模型[18]，流體模型在順流向(x方向)的上游端長(zhǎng)度選取為3D，下游端長(zhǎng)度選取為10D，其中D為隧道管體橫截面寬度。流體及隧道管體的網(wǎng)格劃分均采用六面體單元，錨索采用含剛度、阻尼的彈簧單元模擬[5]，數(shù)值模型如圖4所示?？紤]流體與隧道管體結(jié)構(gòu)之間的流固耦合作用，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，忽略了錨索與流體之間的耦合作用。

交通荷載假定車輪輪載與路面接觸面積上均勻分布[19]，以面荷載形式加載到懸浮隧道路面兩端，計(jì)算過(guò)程中模擬的交通荷載隨時(shí)間變化向另外一端勻速移動(dòng)。

3.1.2 運(yùn)動(dòng)方程

懸浮隧道管體兩端鉸接，錨索與管段和基礎(chǔ)連接處都采用鉸接，懸浮隧道管段簡(jiǎn)化為類似連續(xù)梁。

本文同時(shí)研究懸浮隧道管段順流向(x方向)的縱向振動(dòng)和垂直流向(z方向)的橫向振動(dòng)，其相應(yīng)振動(dòng)微分方程[10]為：

(10)

式中：E為隧道管段材料彈性模量，MPa；I為截面慣性矩，m4；C為黏滯阻尼系數(shù)， N·s /m；m為單位長(zhǎng)度隧道管段的質(zhì)量，kg/m；Fx(y,t)、Fz(y,t)分別為x、z方向單位長(zhǎng)度懸浮隧道所受的合力，N。

(a)

(b)

順流向(x方向)所受合力為沿x方向的流體阻力FDx(y,t)。垂直于水流方向(z方向)所受合力分為3部分： 1)漩渦串泄放過(guò)程中產(chǎn)生的升力FL(y,t)； 2)懸浮隧道在z方向運(yùn)動(dòng)所受的流體阻尼力FDz(y,t)； 3)交通荷載F(t)。即

(11)

流體阻力FD(y,t)可用Morison公式計(jì)算，

(12)

式中：A為截面面積；CD、Cm分別為流體阻力系數(shù)和質(zhì)量附加系數(shù)，取CD=0.6、Cm=1.0[20]；ui、ai分別為流體水質(zhì)點(diǎn)在x、z方向的速度分量和加速度分量，采用Airy線性波理論計(jì)算[21]。

單位長(zhǎng)度的升力FL(y,t)可近似表示為漩渦串頻率的簡(jiǎn)諧函數(shù)：

(13)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；D為截面的寬度或直徑，m；vf為作用在管段上洋流相對(duì)流速；ux為流體水質(zhì)點(diǎn)在x方向的速度分量，m/s；CL為升力系數(shù)，取1.0[10]；ωs為尾流漩渦泄放角頻率，rad/s。

3.2交通荷載變化特征

首先計(jì)算懸浮隧道管體結(jié)構(gòu)在外部激勵(lì)荷載(波流力)作用下的渦激縱向振動(dòng)位移和橫向振動(dòng)位移，如圖5所示。因選取的交通荷載移動(dòng)速度為80 km/h，通過(guò)100 m管段的時(shí)間為4.5 s，因此僅研究通過(guò)時(shí)間段內(nèi)交通荷載與結(jié)構(gòu)振動(dòng)的變化規(guī)律。由圖5可知： 懸浮隧道結(jié)構(gòu)在波流共同作用下的縱向振動(dòng)位移和橫向振動(dòng)位移均呈波動(dòng)性變化，但橫向振動(dòng)位移幅值明顯大于縱向振動(dòng)位移幅值，且變化更規(guī)律。

圖5 波流力作用下隧道管體振動(dòng)位移Fig. 5 Vibration displacements of tunnel tube under wave and current loads

偏安全考慮，取隧道結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)位移的最大值0.13 m作為外部激勵(lì)荷載(波流作用)對(duì)交通荷載的影響值，利用式(6)及前文選定的參數(shù)計(jì)算交通荷載模擬值，如圖6所示。可以看出： 交通荷載模擬值曲線隨時(shí)間變化出現(xiàn)波動(dòng)性頻率和幅值，具有一定的周期性，這與振動(dòng)荷載的特征相符合。本文模擬的懸浮隧道交通荷載由靜載和動(dòng)荷載2部分組成，因算例中選取的車輪靜載為20 kN，因此模擬值曲線在20 kN上下波動(dòng)。波動(dòng)曲線偏離靜載的幅值即為交通荷載中的動(dòng)荷載部分，幅值越大，則動(dòng)荷載所占的比例就越大。

3.3交通荷載對(duì)比分析

為研究交通荷載模擬方法的合理性，選取固定均布荷載、移動(dòng)集中荷載以及本文提出的移動(dòng)振動(dòng)荷載3種不同的交通荷載模擬方法，在波流共同作用下，對(duì)比分析不同交通荷載模擬方法對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移響應(yīng)的影響，觀察結(jié)構(gòu)跨中振動(dòng)位移的變化。其中，固定均布荷載和移動(dòng)集中荷載均取為20 kN，移動(dòng)振動(dòng)荷載利用前文計(jì)算得到的模擬值，移動(dòng)荷載速度為80 km/h。由于選取的交通荷載值相對(duì)于波流作用力較小，僅分析懸浮隧道結(jié)構(gòu)在無(wú)交通荷載的基礎(chǔ)上添加不同交通荷載后的振動(dòng)位移增量。不同交通荷載作用下隧道縱向振動(dòng)位移增量和隧道橫向位移增量分別如圖7和圖8所示。

圖6 交通荷載模擬值變化曲線

圖7 不同交通荷載作用下隧道縱向振動(dòng)位移增量Fig. 7 Increments of tunnel longitudinal displacement under different traffic loads

圖8 不同交通荷載作用下隧道橫向位移增量Fig. 8 Increments of tunnel transversal displacement under different traffic loads

從圖7和圖8可以看出： 不同的交通荷載模擬方法對(duì)隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移的影響均較小，但移動(dòng)集中荷載和移動(dòng)振動(dòng)荷載時(shí)的位移變化幅值相對(duì)固定均布荷載時(shí)的大。固定均布荷載對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移的影響相對(duì)較小，是因?yàn)槠淇梢砸曌鞴潭ê奢d的一部分，相當(dāng)于靜載。而移動(dòng)集中荷載和移動(dòng)振動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移的影響非常相似，隨著交通荷載的移動(dòng)，隧道結(jié)構(gòu)跨中縱向和橫向振動(dòng)位移增量都出現(xiàn)了相對(duì)較大的規(guī)律性波動(dòng)。根據(jù)前文分析可知，移動(dòng)振動(dòng)荷載區(qū)別于移動(dòng)集中荷載的地方是增加了附加動(dòng)荷載部分，而算例中采用的移動(dòng)振動(dòng)荷載中動(dòng)荷載部分所占比例較小(如圖6所示)，因此在移動(dòng)振動(dòng)荷載的計(jì)算結(jié)果中，振動(dòng)位移幅值稍大，這也說(shuō)明移動(dòng)振動(dòng)荷載更能真實(shí)地反映交通荷載中的動(dòng)荷載部分對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移響應(yīng)的影響。

4 結(jié)論與討論

1)懸浮隧道交通荷載包括固定荷載和附加動(dòng)荷載2部分。在模擬懸浮隧道中的交通荷載時(shí)，除考慮車輪靜載、路面不平度和行車速度等因素外，還需要考慮外部激勵(lì)荷載對(duì)交通荷載的影響，波流作用力為主要的外部激勵(lì)荷載。本文提出的懸浮隧道交通荷載模擬表達(dá)式綜合考慮各種影響因素，計(jì)算得到的交通荷載模擬值具有波動(dòng)性和周期性，符合振動(dòng)荷載和交通荷載的特征。

2)不同交通荷載模擬方法對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移響應(yīng)的影響不同，其中： 固定均布荷載相當(dāng)于靜載，影響較??； 移動(dòng)集中荷載與移動(dòng)振動(dòng)荷載時(shí)的影響非常相似，都出現(xiàn)較大波動(dòng)，但移動(dòng)振動(dòng)荷載更能真實(shí)反映交通荷載中動(dòng)荷載部分對(duì)結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的影響。

3)本文提出采用移動(dòng)振動(dòng)荷載模擬懸浮隧道中的交通荷載，相對(duì)于固定均布荷載和移動(dòng)集中荷載更能反映交通荷載的動(dòng)荷載特性，但影響因素中的外部激勵(lì)荷載僅考慮了波流共同作用力的影響，且模擬的交通狀況(單個(gè)移動(dòng)荷載)也較簡(jiǎn)單，還需更進(jìn)一步完善其模擬方法。另外，結(jié)構(gòu)形式以及環(huán)境參數(shù)對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此建議在確定結(jié)構(gòu)形式以及環(huán)境參數(shù)的前提下對(duì)交通荷載進(jìn)行研究，這樣研究成果才更具有針對(duì)性。

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StudyofSimulationMethodforTrafficLoadofSubmergedFloatingTunnel(SFT)

LIANG Bo1, JIANG Bolin1, 2,*

(1.CollegeofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China;2.ChongqingVocationalInstituteofEngineering,Chongqing402260,China)

The rational simulation method for traffic load of submerged floating tunnel (SFT) and its impact on SFT structure are studied. Firstly, the simulation formula for traffic loads of SFT is carried out by means of referring to simulation method for traffic load of railway and highway and comprehensive considering factors of heel load, road roughness, velocity of vehicles and external incentive loads. And then, the characteristics of traffic loads and the structural vibration displacement response of SFT under different simulation methods are analyzed by means of numerical simulation. The results show that: 1) The calculation results by simulation method proposed coincide with the actual situation of moving vibration load and present characteristics of variability and periodicity. 2) In terms of the structural vibration displacement response, the calculation results of moving concentrated load and moving vibration load are similar and larger than fixed distributed load which is equivalent to static load. The amplitude of moving vibration load is slightly larger than that of moving concentrated load; and it can reflect the effect of dynamic component of traffic load to the structural vibration displacement response; as a result, the moving vibration load is more appropriate to be used as the traffic load of SFT.

submerged floating tunnel (SFT); traffic load; moving vibration load; numerical simulation; structural dynamic response

2017-06-05;

2017-09-08

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013318740050)

梁波(1964—)，男，四川隆昌人，1998年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，道路與鐵道工程專業(yè)，博士，教授，現(xiàn)主要從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用等方面的科研工作。E-mail： liang_laoshi@126.com。 *通信作者： 蔣博林， E-mail: jiangbolin_stamp@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.005

U 459.5

A

1672-741X(2017)10-1232-07