蔣樹屏， 李勤熙

(1. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2. 招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067；3. 重慶市萬盛經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)交通局， 重慶 400800)

0 引言

近年來，隨著水下隧道的建設(shè)水域逐漸由地勢平坦的江河向溝槽發(fā)育的海灣和海峽發(fā)展，傳統(tǒng)建設(shè)工法在復(fù)雜水域面臨著巨大挑戰(zhàn)，需要不斷突破和創(chuàng)新?！般@爆法+盾構(gòu)法”、“沉管法+懸浮法”或“盾構(gòu)法+沉管法”等組合工法已成為工程建設(shè)的備選，特別是水中懸浮隧道，靠浮力和錨索張力保持動力平衡的特殊水中交通結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已成為世界各國重點研究的方向。在某些難以修建隧道或橋梁的地方，SFT可以作為解決通過窄而深的海峽、湖泊和河流的交通方案。SFT的設(shè)計概念在1966年首先由挪威人提出，但至今為止，世界上仍沒有一例真正建成的SFT。

SFT概念自提出以來已得到越來越多的關(guān)注，這與其本身所具有的特點是分不開的。圖1示出了SFT與傳統(tǒng)橋梁和隧道的區(qū)別。

(a) 橋梁

(b) SFT

(c) 沉管隧道

(d) 水底隧道

圖1 SFT與傳統(tǒng)橋梁和隧道的對比

Fig. 1 Comparison between SFT and traditional bridges and tunnels

與傳統(tǒng)橋梁和隧道相比，SFT有如下優(yōu)點[1]：

1)SFT由分段管節(jié)連接而成，受水深和跨度的限制小，且單位長度的造價不隨跨度的增加而增加。

2)SFT處于水面下一定深度，受水面惡劣氣候影響小，并且不影響水面交通，也不會破壞水面上的自然景觀。

3)與水底隧道和沉管隧道相比， SFT在穿越湖泊和海峽時的水深更淺。這將大大降低隧道的縱坡和長度，且不需要進行大規(guī)模挖掘，既降低了建造的經(jīng)濟成本，又減少了汽車尾氣的排放，環(huán)保優(yōu)勢明顯。

4)SFT通過錨索與地基相連，地震等沖擊荷載通過基礎(chǔ)和應(yīng)力波由水間接作用在SFT結(jié)構(gòu)上，有消能和緩沖效果，而對于水底隧道和沉管隧道，沖擊荷載則直接作用在隧道結(jié)構(gòu)上。

上述這些獨特的優(yōu)勢使SFT成為跨越海峽和湖泊的一種極具競爭力的固定交通方案，在某些深水環(huán)境中甚至是唯一可行的方案。

對于SFT的實際建設(shè)和使用，目前仍然有許多問題亟需解決，文獻[2]曾提出：“誰將第一個建造SFT？”從SFT的研究來看，挪威和意大利在設(shè)計理論、計算研究方法、模型試驗和施工指南等方面有長期建樹，基本形成了一套以精細化計算為基礎(chǔ)和模型試驗為保證的理論成果。國內(nèi)對懸浮隧道的研究盡管起步較晚，但研究進展迅猛，研究的內(nèi)容涉及廣泛。綜上所述，世界各國研究者的工作主要涵蓋了SFT的工程概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)動力分析理論和模型試驗等方面。

1 SFT概念設(shè)計進展

比較完整的SFT初期設(shè)計構(gòu)想最早由英國的Mr.Granl提出。在此基礎(chǔ)上，各國結(jié)合自身的不同情況，針對本國海峽，提出了各具特色的SFT設(shè)計方案及初步施工技術(shù)。

開展SFT工程技術(shù)研究的歐美國家主要有意大利、挪威、瑞士、希臘、西班牙以及美國。1984年，在意大利注冊的阿基米德橋公司針對墨西拿海峽提出了鋼-混凝土-鋼三明治管節(jié)模型SFT方案，后又于1996年先后提出Consortium ENI模型(鋼-混凝土-鋼圓形結(jié)構(gòu)斷面)和Sirprogetti模型(外鋼管+內(nèi)殼結(jié)構(gòu))。Faggiano等[3]首先分析了傳統(tǒng)懸索橋、斜拉橋的外荷載和纜索體系構(gòu)成等方面的特點，并指出懸索橋和斜拉橋所受荷載的特點與SFT所受外荷載的特點有一定的相似性，進而認為可以將傳統(tǒng)意義的懸索結(jié)構(gòu)形式改進后應(yīng)用到SFT中，得到一種改進的“倒懸索橋(cable supported immersed inversed bridge，簡稱CSIB)”SFT方案。研究表明： “倒懸索橋”相比于傳統(tǒng)的SFT支撐體系具有明顯的優(yōu)勢，認為“倒懸索橋(CSIB)”作為SFT方案具有潛在應(yīng)用的可能。

1996年挪威針對跨H?gsfjord峽灣懸浮隧道提出張力腿式、浮筒式和柱式等多種模型。Larssen等[4]推薦采用浮筒式SFT跨越，針對挪威峽灣水深面寬的特點，介紹了4處挪威綜合利用水下空間和籌建水中SFT的情況，其中重點介紹了挪威H?sfjord峽灣的4種設(shè)計方案。文獻[3]指出： 在峽灣水深較大時SFT設(shè)計需要考慮采用何種隧道結(jié)構(gòu)外形及構(gòu)造以使結(jié)構(gòu)獲得足夠的剛度，經(jīng)分析后選擇了浮筒方案作為推薦方案； 在中度水深可以采用錨固于海底的斜拉張力腿，同時增加結(jié)構(gòu)的水平剛度及豎向剛度； 另外，針對SFT水動力響應(yīng)和一階及高階風(fēng)浪力作用做了說明； 最后，簡要介紹了Storfjord峽灣、Nordfjord峽灣和Sognefjord峽灣的初步設(shè)計方案。2016年，挪威針對Sognefjord峽灣SFT工程提出了一個投資超過250億美元的劃時代宏偉計劃，借鑒盾構(gòu)隧道的雙管節(jié)設(shè)計，SFT由2個長度超過1 200 m的管節(jié)組成，如圖2所示。

在亞洲，日本從1990年開始對大阪灣和噴火灣SFT展開研究。Kanie[5]總結(jié)了日本近20年在SFT領(lǐng)域的相關(guān)研究進展，并針對日本擬建跨海通道的多處海峽開展了工程可行性探索。韓國研究者針對濟州海峽水深峽寬的特點，開展了相關(guān)模型試驗研究[6-7]。印度尼西亞是臺風(fēng)、地震均較活躍的地區(qū)，2009年，其針對千島群島跨海工程開展了國際合作，并提出了相應(yīng)的SFT設(shè)計方案。

在中意政府SFT合作項目框架下，中國選擇千島湖作為第1個SFT項目。文獻[8]針對千島湖SFT開展了波流荷載作用下的結(jié)構(gòu)動力研究，提出了錨索連接形式、錨固和接駁方式。文獻[9-10]基于千島湖SFT原型以及現(xiàn)場波流和地震數(shù)據(jù)，在不同工況下對原型SFT的概念設(shè)計方案進行了結(jié)構(gòu)強度分析和安全性校核，指導(dǎo)原型SFT的細化設(shè)計。

(a)

(b)

在其他SFT項目諸如美國的華盛頓湖、瑞士盧加諾湖、西班牙直布羅陀海峽、希臘 Rion Antirion通道工程和土耳其博斯普魯斯海峽SFT中，SFT的固定方式、主體結(jié)構(gòu)材料和接頭等一些施工關(guān)鍵問題均得到了一定的研究和分析。

2 SFT動力分析理論

2.1 SFT管段結(jié)構(gòu)動力分析

波流荷載和地震荷載在SFT所受環(huán)境荷載中最為重要。Brancaleoni等[11]通過考慮在規(guī)則波與地震作用下固定墩和錨索式2種不同錨固形式的SFT動力響應(yīng)情況，對SFT進行有限元離散，其運動控制方程為

(1)

式中：M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；Q為位移向量；D為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣，采用Rayleigh阻尼形式；q為地基反力向量；Ds為地基的阻尼矩陣；S為結(jié)構(gòu)恢復(fù)力向量；Ks為地基的剛度矩陣；Fh為流體力；B為浮力向量；w為水質(zhì)點速度；h為淹沒深度。

運動控制方程可以通過時域內(nèi)的逐步積分求解，然后由Airy線性波理論計算得到規(guī)則波的水質(zhì)點速度和加速度，再利用Morison方程計算流體力。通過計算發(fā)現(xiàn)，固定墩式SFT的水平和豎直位移幅值大于錨索式。因此，在SFT錨固系統(tǒng)的選擇上，從動力學(xué)的角度考慮，錨索連接方式要優(yōu)于固定墩。

為了同時考慮錨索橫向和軸向之間的耦合變形作用，葛斐等[12]通過Hamilton原理，推導(dǎo)了SFT錨索和管段的運動控制方程，見式(2)。同樣，由Airy 線性波理論和Morison方程計算得到了SFT上的波浪力。

(2)

式中：u和v為錨索軸線上點的位移；ρ為錨索的密度；ρf為流體密度；A0為錨索截面積；Af為單位長度的錨索排開液體的體積；N0為作用于管段的剩余浮力(浮力與重力之差)；Mtunnel為SFT管段質(zhì)量；Jc為SFT管段的質(zhì)量慣性矩；φ為管段轉(zhuǎn)角；E為錨索彈性模量；I0為慣性矩；f為波浪力的函數(shù)；g為重力加速度；d為SFT管段截面直徑；l為錨索未變形前的長度；t為壁厚。

文獻[13]基于邊界元方法和波浪衍射理論，考慮不同的SFT斷面尺寸和形狀，研究了管段結(jié)構(gòu)的波浪效應(yīng)，并用Morison經(jīng)驗公式分析評價了管段結(jié)構(gòu)的阻力效應(yīng)。

文獻[11-13]研究SFT管段動力問題時建立的運動控制方程雖有所不同，但求解方法一致。Kanie等[14]在波浪荷載作用下，通過考慮各種連接形式錨索的SFT結(jié)構(gòu)，將SFT視為具有很大長細比的結(jié)構(gòu)，取SFT的1節(jié)管段，不考慮與之相連的其他管段對該管段的約束作用； 同時，采用散射理論，運用邊界元方法，計算作用于模型上的波浪力及模型的動力響應(yīng)，計算結(jié)果與用Morison方程計算所得的結(jié)果基本一致，說明當(dāng)SFT管段的直徑與入射波長之比小于0.2時，采用Morison方程計算SFT結(jié)構(gòu)的波浪力是合適的；另外，當(dāng)考慮SFT的三維模型時，通過改變?nèi)肷洳ㄅcSFT軸線的夾角，研究了SFT管段結(jié)構(gòu)的水平波浪力。

此后，Remseth等[15]將SFT管段簡化為圓柱形，用Navier-Stokes方程研究了SFT的流固耦合問題，考慮定常流和規(guī)則波的作用，采用ALE方法分析了流體動力，認為在有限元分析方法中， Navier-Stokes方程相比Airy線性波理論計算得到的SFT豎向位移更為理想，但水平位移差別很大。同樣，項貽強等[16]通過對懸浮隧道管體-錨索系統(tǒng)的簡化，采用Hamilton原理建立了管體-錨索結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)模型，推導(dǎo)出考慮錨索橫向振動與管體豎向振動之間相互耦合的微分方程，并利用工程實例進行了求解分析。

以上對SFT管段和整體動力響應(yīng)的研究中變量和控制條件比較單一?？紤]到SFT這種新型結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性，SFT外輪廓尺寸、張力腿錨索系統(tǒng)剛度等重要變量與結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)之間勢必存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。文獻[17-18]在SFT結(jié)構(gòu)的張力腿錨索布置形式、傾角和浮重比動力響應(yīng)研究中，得出了不同浮重比和不同張力腿錨索傾角與SFT在水平振幅和豎向振幅間的歸一化變化規(guī)律，并首次提出了“協(xié)同浮重比”的概念，即SFT的浮重比是關(guān)系到SFT多方面水動力特性的一個綜合性關(guān)鍵參量，為研究SFT協(xié)同考慮結(jié)構(gòu)自振頻率、支撐系統(tǒng)張力水平、管體特征尺寸和整體造價奠定了基礎(chǔ)。

2.2 錨索振動模擬分析

Morita等[19]將錨索簡化為無質(zhì)量的彈簧，研究了豎向地震荷載作用下流體的可壓縮性以及SFT動力響應(yīng)的影響。但實際上，具有相當(dāng)長度錨索的質(zhì)量不可忽略。麥繼婷等[20]應(yīng)用Galerkin方法和數(shù)值積分法，借用海洋平臺中張力腿的動力方程，認為錨索的變形更接近于受張力的梁。考慮到錨索的垂度效應(yīng)，陳健云等[21]建立了水下懸浮隧道錨索非線性隨機振動方程，采用蒙特卡羅數(shù)值模擬法對隨機激勵作用下錨索的振動響應(yīng)進行了研究。文獻[22]在研究SFT管段和錨索的地震效應(yīng)時，采用三維梁單元模擬SFT管段，采用桿單元模擬錨索，計算模型示意圖如圖3所示。研究結(jié)果顯示： 具有不同錨索長度的SFT管段的動力響應(yīng)差別很大。說明管段的動力響應(yīng)主要由錨索的柔度決定，同時，在錨索動力響應(yīng)過程中出現(xiàn)了較大的壓力，這在錨索設(shè)計中值得特別關(guān)注。羅剛等[23]討論了錨索質(zhì)量比、阻尼比、來流速度以及是否考慮流向運動對錨索橫向渦激振動的影響，對錨索渦激振動的相關(guān)誘因進行了分析，并采用模態(tài)疊加法對影響錨索渦激疲勞損傷的相關(guān)因素進行了深入研究。

圖3 計算模型示意圖

文獻[24-25]總結(jié)了近10年中國科學(xué)院力學(xué)研究所在水中SFT結(jié)構(gòu)完整性和動力特性方面的研究進展。研究團隊依托千島湖SFT原型橋項目，進行了前期現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)模型試驗以及理論計算工作，研究了SFT大長徑比(長度與直徑之比不小于100)張力腿錨索在不同流速和預(yù)張力條件下的渦激振動。模型試驗和數(shù)值計算結(jié)果均表明： SFT錨索的渦激振動呈現(xiàn)出與典型渦激振動完全不同的特征，錨索的振動頻率沒有發(fā)生“鎖頻”共振，而是隨著流速的增加線性增大，振動模態(tài)階數(shù)隨流速增加出現(xiàn)階梯狀增大。

目前已有的SFT環(huán)境荷載作用下錨索動力響應(yīng)研究中，建立的動力學(xué)模型沒有考慮錨索的變形，且把錨索簡化為無質(zhì)量的彈簧或只能承受拉力的桿單元。而從已有的SFT概念設(shè)計中可知，錨索的變形特性更接近于受張力的梁，不僅具有軸向剛度，而且還有彎曲剛度。目前僅有國內(nèi)的麥繼婷和葛斐等對這個問題做了初步探討。在波流場中，錨索的運動和SFT管段的運動是相互耦合的，目前對這種耦合模型的動力學(xué)特性研究還較少。因此，對SFT在波流場中的動力特性和動力響應(yīng)的研究，不僅在理論上有著重要的科學(xué)意義，在工程上亦有較大的應(yīng)用價值。

3 模型試驗

SFT作為一個新型水中跨越交通結(jié)構(gòu)，開展不同縮比的模型試驗對SFT的實施很有必要。表1示出國內(nèi)外SFT管段模型試驗參數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計來看，SFT管段模型試驗既有二維水槽試驗，也有水池試驗； 研究斷面主要集中于圓形，橢圓、耳形等類圓形以及多邊形結(jié)構(gòu)的模型試驗研究還不多； 從研究的環(huán)境荷載來看，試驗荷載主要集中于波浪、洋流和地震荷載。

國際上普遍的共識是： 當(dāng)水位在一定深度(大于40 m)時，SFT管段主要受洋流影響，波浪力的作用很小，可忽略不計。干湧首次開展了SFT的靜水荷載試驗，測試了管段在靜水荷載作用下的空間應(yīng)力分布。為了解洋流作用下SFT錨索的運動特性，晁春峰等[26-27]開展了SFT錨索流固耦合振動節(jié)段模型試驗，觀察到了錨索渦激振動現(xiàn)象，并通過參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，圓形錨索傾斜布置有利于降低渦激共振的不利影響； 同時，開發(fā)了抑制錨索渦激振動的裝置； 然后，又進行了SFT整體沖擊響應(yīng)模型試驗。西南交通大學(xué)周曉軍團隊設(shè)計建造了可調(diào)節(jié)流速的試驗水池，用以研究SFT管段的運動特性。王長春[28]利用室內(nèi)管段模型試驗，對洋流和懸浮隧道管段進行了流體-結(jié)構(gòu)耦合模擬。王廣地[29]和秦銀剛[30]進行了SFT結(jié)構(gòu)節(jié)段模型試驗，研究了水流作用下SFT結(jié)構(gòu)的空間應(yīng)力和錨索軸力分布規(guī)律，試驗中水流速度和模型裝置的安裝精度對測試有較大干擾。文獻[31]開展的均勻流條件下的試驗更具有說服力，也更加精細化。均勻流模型試驗簡圖如圖4所示。在二維水槽試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著流速的增大，液體流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱送牧?，模型隨之發(fā)生了隨機振動。

表1 國內(nèi)外主要SFT管段模型試驗參數(shù)

(a) 俯視圖

(b) 側(cè)視圖

對工程而言，一方面，如果在實踐時僅采用SFT方案，那么必然存在進口段、過渡段和深埋段，無論是表面波還是海洋內(nèi)波的波浪力都會對進口段和過渡段產(chǎn)生影響； 另一方面，如果采用組合式工法，就必然存在接駁問題，那么就必然需要衡量波浪力的大小以確定最佳接駁位置。因此，從理論和工程技術(shù)來看，波浪力非常值得研究。事實上，海洋中不僅有表面波，還存在海洋內(nèi)波，它在超過100 m的水深下仍具有很大的破壞力。根據(jù)麥繼婷等[32]和Kunisu[13]的研究可知，海洋內(nèi)波隨著埋深的增加其絕對值雖然會減小，但減小幅值越來越小，在相當(dāng)深度下還保持著很大的數(shù)值，這在文獻[33]的研究中得到了證實。

日本、韓國是海岸線漫長的多島嶼國家，兩國研究者主要致力于峽灣或淺海地區(qū)SFT在波浪作用下的運動特性研究。日本的Kunisu等[34]通過在一個二維波浪水槽中產(chǎn)生規(guī)則波浪，然后通過改變試驗水深、波浪要素以及結(jié)構(gòu)浮重比進行了工況組合試驗。規(guī)則波模型試驗簡圖如圖5所示。通過試驗發(fā)現(xiàn)，慣性力是SFT管段上波浪力的主要部分，入射波高對錨索拉力有顯著影響，浮重比對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定脫落性十分重要，但試驗并未發(fā)現(xiàn)流體的旋渦現(xiàn)象。日本學(xué)者Fujita等[35]進行了淺水中懸浮隧道的模型試驗，認為錨索張力隨著規(guī)則波周期的增加而增加。韓國的Oh等[6]和Seo等[7]也通過波浪水槽中的規(guī)則波物理試驗研究了SFT在波浪作用下的水動力特性，發(fā)現(xiàn)錨固系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)的運動位移有著重要影響，其中，文獻[6]在試驗測試中使用了運動圖像識別技術(shù)，有效避免了試驗測試裝置對結(jié)構(gòu)運動位移的約束。

圖5 規(guī)則波模型試驗簡圖(單位： mm)

Fig. 5 Sketch diagram of experimental model of regular wave (unit: mm)

以上波浪研究結(jié)果均基于規(guī)則波試驗。由于規(guī)則波只有一個特定周期，試驗結(jié)果一般不穩(wěn)定，有時共振結(jié)果很大，有時較小，而不規(guī)則波周期有一定的分布，試驗結(jié)果更為穩(wěn)定。李勤熙等通過二維波浪水槽采用不規(guī)則波和規(guī)則波2種波浪研究了橢圓形SFT斷面的波動特性，冀以優(yōu)化和開發(fā)新結(jié)構(gòu)形式的水下懸浮隧道。目前，中國某公司牽頭建造了世界上最大的SFT試驗水池，長26.0 m、寬26.0 m、高3.0 m，總投資超過1 000萬元。SFT實驗室效果圖如圖6所示。該實驗室可以開展SFT的大比尺深水試驗和波浪-洋流耦合荷載作用下的SFT系統(tǒng)綜合性試驗，它的建成使大比尺SFT深水動力試驗成為可能。

圖6 SFT實驗室效果圖

4 其他

海面波浪、洋流、海底地震以及其他偶然環(huán)境因素(例如沉船、潛艇、內(nèi)外部爆炸沖擊)等必然對SFT本身產(chǎn)生極為嚴重的影響，在緊急情況下隧道中人員的逃生救援也是一個至關(guān)重要的問題，但目前在此方面的研究成果不多，例如： 文獻[36]研究了SFT在進水緊急情況下逃生設(shè)施的設(shè)置問題，申請了SFT的接頭設(shè)計專利。

在交通荷載模擬方面，Perotti等[22]認為SFT交通荷載模擬可參考橋梁交通荷載的模擬方式； Tariverdilo等[37]研究了SFT移動集中力荷載作用的管段響應(yīng)規(guī)律； 董滿生等[38]和項貽強等[39]建立了等距集中荷載、流-固-車輛耦合振動的理論研究方法； 梁波等[40]在考慮移動荷載波動性和周期性的情況下，對比研究了不同交通荷載模擬方法對SFT結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

5 結(jié)論與討論

1)水中SFT的經(jīng)濟和環(huán)保優(yōu)勢明顯，國家發(fā)展和社會進步的需求突出，但各國的SFT研究方案均未有付諸實施的報道，主要可以歸結(jié)為技術(shù)和社會進步的局限。具體來說： 一是許多SFT的技術(shù)問題還有待研究，安全性和穩(wěn)定性設(shè)計尚不成熟； 二是社會對SFT的安全要求不僅僅在技術(shù)安全層面； 三是缺乏建造和設(shè)計SFT的技術(shù)規(guī)范和工程標(biāo)準(zhǔn)。

2)SFT的關(guān)鍵參量“協(xié)同浮重比”涵蓋了結(jié)構(gòu)張力腿錨索布置形式、傾角和浮重比與SFT水平、豎向振幅間的相互作用關(guān)系。考察綜合性參量有助于研究結(jié)構(gòu)自振頻率、支撐系統(tǒng)張力水平的歸一化變化規(guī)律。將錨索視為受張力的梁，進行管段與錨索運動耦合分析更為接近結(jié)構(gòu)的真實運動情況。

3)SFT的模型試驗經(jīng)歷了由靜水試驗到純流、規(guī)則波浪和隨機不規(guī)則波的發(fā)展，試驗條件也由單一化造流水池到風(fēng)浪流波浪水槽，甚至深水大型波浪流水池發(fā)展，波-流耦合、流-固耦合、動水與靜水結(jié)合是SFT模型試驗未來的發(fā)展趨勢。

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