林巍，林鳴，尹海卿，張寧川

（1.中交懸浮隧道結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法研究攻關(guān)組，廣東 珠海 519000；2.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；3.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；4.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

1 介紹

懸浮隧道工程概念提出超過(guò)150 a，在挪威、日本和意大利等地輪番掀起研究熱潮。已有研究發(fā)展較多數(shù)學(xué)模型[1]和少量物理模型，后者大多是在試驗(yàn)水槽中放置節(jié)段模型代表懸浮隧道管體的一段[1-4]。數(shù)學(xué)模型需要物理模型支撐，當(dāng)前懸浮隧道工程技術(shù)研究，試驗(yàn)水池整體模型試驗(yàn)仍是空白，節(jié)段水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鄬?duì)其懸浮隧道結(jié)構(gòu)體系剛度設(shè)置也尚未討論。

本文介紹懸浮隧道整體結(jié)構(gòu)行為機(jī)理試驗(yàn)，由中交懸浮隧道工程技術(shù)聯(lián)合研究組牽頭進(jìn)行，以下依次介紹試驗(yàn)意義、早期構(gòu)想、第一代試驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)踐與反饋和第二代試驗(yàn)設(shè)計(jì)等。

2 早期討論

2.1 試驗(yàn)意義與原則

數(shù)學(xué)模型通過(guò)物質(zhì)組成推測(cè)結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)。懸浮隧道結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)由其線位、線形和體系剛度決定，體系剛度取決于隧道長(zhǎng)度、橫斷面抗彎特性、管體錨固系統(tǒng)與管體兩端約束方式[5]。懸浮隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)受其結(jié)構(gòu)體系質(zhì)量與阻尼影響，與管體結(jié)構(gòu)、錨固體系及地貌有關(guān)。挑戰(zhàn)在于沒(méi)有工程案例可驗(yàn)證：立管相比懸浮隧道管體偏小、船舶偏剛、橋未（完全）浸入水中。物理模型可用于驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)定制模型人為施加外部激勵(lì)，觀察模型響應(yīng)，并對(duì)其做出解釋和建立模型。已有懸浮隧道物理模型試驗(yàn)傾向于代價(jià)小的、兼顧教學(xué)的2D水槽試驗(yàn)，并同時(shí)推進(jìn)案頭研究，通過(guò)這兩種手段將懸浮隧道問(wèn)題研究得更深入。然而物模試驗(yàn)挑戰(zhàn)在于尺寸效應(yīng)[6]、相似問(wèn)題[7]，以及普遍適用問(wèn)題。

圖1 懸浮隧道整體結(jié)構(gòu)水池試驗(yàn)路線Fig.1 SFT overall structural basin test route

為了通過(guò)物理模型方法加深對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)行為機(jī)理的認(rèn)識(shí)，提出了錨索式懸浮隧道整體模型水池試驗(yàn)。第一個(gè)難題是找切入點(diǎn)，見(jiàn)圖1（a）。如果不能預(yù)測(cè)懸浮隧道整體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，就無(wú)法設(shè)計(jì)合理的懸浮隧道結(jié)構(gòu)，無(wú)法獲得合理的模型，進(jìn)而無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果加深對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)行為機(jī)理的理解。圖1（a）“死結(jié)”通過(guò)將試驗(yàn)?zāi)康膭澐譃闄C(jī)理試驗(yàn)、參數(shù)試驗(yàn)和工程試驗(yàn)三階段得以解開(kāi)（圖1（b））。具體講，通過(guò)結(jié)構(gòu)單因素變動(dòng)敏感性分析研究懸浮隧道模型水池中的結(jié)構(gòu)行為機(jī)理，指導(dǎo)完成概念設(shè)計(jì)；再通過(guò)合理設(shè)置大型水槽節(jié)段試驗(yàn)，為詳細(xì)設(shè)計(jì)和分析工作提供參數(shù)支撐；在工程實(shí)施前的最后階段對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確保沒(méi)有遺漏的危險(xiǎn)工況。以上三階段分別指導(dǎo)概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)。本文僅討論第一階段試驗(yàn)，懸浮隧道結(jié)構(gòu)行為機(jī)理試驗(yàn)（以下稱“機(jī)理試驗(yàn)”）。

2.2 六隧同池試驗(yàn)方案

根據(jù)試驗(yàn)單位已有水池尺寸45 m×45 m×1 m（長(zhǎng)×寬×深），最初錨索式懸浮隧道試驗(yàn)設(shè)計(jì)成六隧同池（圖2）。最左側(cè)為基準(zhǔn)模型，改變模型管體的浮重比，得到右側(cè)的第2、第3個(gè)模型；將基準(zhǔn)模型的管體復(fù)制2個(gè)，平行放置，并連接，得到第4個(gè)模型；將從左往右的第2、3個(gè)模型放大1倍，也即縮尺比從1∶100改為1∶50，得到第5、6個(gè)模型。

將這6個(gè)模型同時(shí)放到試驗(yàn)水池中做試驗(yàn)，可預(yù)見(jiàn)好處有：同場(chǎng)性，六模型處于同一流場(chǎng)環(huán)境中，相比傳統(tǒng)的單模型試驗(yàn)法，消除重造5次流場(chǎng)產(chǎn)生的不確定風(fēng)險(xiǎn)；資源合理利用，每次試驗(yàn)可同時(shí)獲得6個(gè)懸浮隧道模型的響應(yīng)，試驗(yàn)方法高效；方便對(duì)響應(yīng)差異的觀察，有可能快速甚至直觀地獲得6個(gè)模型響應(yīng)之間的差異和規(guī)律；進(jìn)度快，進(jìn)而占用水池時(shí)間短；此外試驗(yàn)場(chǎng)景更震撼。

圖2 最初試驗(yàn)水池布設(shè)Fig.2 Initial test basin layout

不利有：6個(gè)懸浮隧道模型需要配備6組試驗(yàn)人員，每組人員負(fù)責(zé)1個(gè)模型；需要配備更多傳感器、纜索、測(cè)量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集電腦；每個(gè)懸浮隧道模型受到水流和波浪作用或多或少受其他5個(gè)模型影響。

綜上利弊，根據(jù)新建水池尺寸50 m×30 m×2 m（長(zhǎng)×寬×深），決定每次試驗(yàn)原則上只布設(shè)1個(gè)懸浮隧道模型（圖3）。后續(xù)試驗(yàn)如需同池布置多條懸浮隧道模型，應(yīng)評(píng)估模型對(duì)水流遮擋效應(yīng)，對(duì)波浪消能效應(yīng)，也即評(píng)估同場(chǎng)試驗(yàn)水波減損效應(yīng)。

圖3 選定試驗(yàn)水池布設(shè)Fig.3 Selected test basin layout

3 第一代機(jī)理試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)觀察懸浮隧道整體模型在水中響應(yīng)，觀察模型變化或環(huán)境變化時(shí)響應(yīng)變化及規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)懸浮隧道工程技術(shù)方案的設(shè)計(jì)與發(fā)展。試驗(yàn)需求基于工程需求，主要內(nèi)容為：原型；模型縮尺與比尺律；水動(dòng)力環(huán)境；近似手段；環(huán)境工況、模型工況與試驗(yàn)順序；環(huán)境測(cè)量與模型測(cè)量。

3.1 原型與模型

機(jī)理試驗(yàn)需要在沒(méi)有詳細(xì)方案作為輸入條件的前提下探尋水下懸浮隧道的結(jié)構(gòu)行為規(guī)律，因此需要假定原型。選擇外徑12.6 m，壁厚1 m，長(zhǎng)1.2 km作為懸浮隧道原型，忽略內(nèi)墻和路面的抗彎剛度（圖4）。原型尺寸擬定考慮如下：現(xiàn)有挪威混凝土懸浮隧道工程概念方案[8]；隧道長(zhǎng)則水池大、蓄水量多、灌水時(shí)間久，流場(chǎng)生成能耗高，單次試驗(yàn)成本高，可持續(xù)性降低；管體到一定長(zhǎng)度，柔性特征已充分體現(xiàn)；現(xiàn)有水池水深2 m，減小模型垂向繞流效應(yīng)；水動(dòng)力試驗(yàn)常見(jiàn)縮尺1∶40～1∶50[7]；與水槽試驗(yàn)橫向比較的可能性；簡(jiǎn)單最好。

圖4 懸浮隧道物理模型概念設(shè)計(jì)Fig.4 SFT physical model conceptual design

模型縮尺的選擇與試驗(yàn)水池尺寸及原型長(zhǎng)度有關(guān)?？s尺大，則需要更大水池；縮尺小，尺度效應(yīng)影響增加，模型機(jī)理行為偏離原型，甚至導(dǎo)致模型試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法真實(shí)反映原型的結(jié)構(gòu)行為機(jī)理。綜上，根據(jù)新建試驗(yàn)水池30 m×50 m的有效平面尺寸，選定1∶50縮尺，對(duì)應(yīng)原型長(zhǎng)1.2 km隧道。如果其它條件不變，將縮尺改為1∶100，則模型的長(zhǎng)度不變，原型變?yōu)殚L(zhǎng)2.4 km的懸浮隧道。

3.2 模型比尺律與近似手段

上文討論物模試驗(yàn)基本相似比尺律幾何相似。對(duì)于懸浮隧道試驗(yàn)還需滿足重力相似、彈性相似和弗洛德數(shù)相似。該試驗(yàn)較節(jié)段水槽試驗(yàn)和長(zhǎng)大橋梁試驗(yàn)所需同時(shí)滿足更多比尺律，見(jiàn)表1。為此，一種手段是研制特殊模型材料，其密度與原型鋼筋混凝土的相等，彈性力學(xué)性能為原型的近1/7倍（也即比尺值）。

表1 各類試驗(yàn)需要滿足的相似比尺律Table 1 Similarity scaling law to besatisfied in various tests

選擇了另一種手段（圖4）。用常見(jiàn)材料制作模型，為便于模型制作以及便于模型力學(xué)特性精度的控制，模型的子構(gòu)件盡量各司其職，各模擬一個(gè)相似要求，進(jìn)而復(fù)雜問(wèn)題變簡(jiǎn)單。具體講，用鋼棒芯模擬抗彎剛度（彈性相似比尺5次方）、用泡沫模擬管體體積（幾何相似比尺3次方）與浮力（弗洛德數(shù)相似比尺3次方）和迎流面面積（幾何相似比尺2次方）、用鋼棒芯結(jié)合額外配重環(huán)或配重塊模擬管體質(zhì)量和重量（重力相似比尺3次方）、纜索上串聯(lián)彈簧模擬錨固系統(tǒng)約束剛度（彈性相似比尺2次方）。原型纜索的剛度根據(jù)強(qiáng)度確定，按其破斷力等于9倍初張力設(shè)計(jì)。

3.3 工況及組合

工況分環(huán)境工況與結(jié)構(gòu)工況。前者對(duì)同構(gòu)造特征或參數(shù)的模型在不同荷載下的響應(yīng)差別進(jìn)行比較，后者對(duì)不同構(gòu)造特征或參數(shù)的模型在同一荷載下的響應(yīng)差別進(jìn)行比較。簡(jiǎn)言之，只改變模型，或只改變環(huán)境，觀察模型響應(yīng)的變化，從中學(xué)習(xí)模型結(jié)構(gòu)行為、總結(jié)機(jī)理。

對(duì)于改變環(huán)境，也即改變波、流、撞擊力，較常規(guī)在此不贅述。改變模型的試驗(yàn)方法為，首先確定一個(gè)懸浮隧道模型的基準(zhǔn)構(gòu)造，再以此構(gòu)造為基礎(chǔ)，每次只改變一項(xiàng)構(gòu)造特征或構(gòu)造參數(shù)，成為比較工況。

基準(zhǔn)模型是：?jiǎn)喂軘嗝?、比?∶50、管體有效長(zhǎng)度24 m、兩端固接，凈浮力8 kg/m（即懸浮隧道模型浸沒(méi)時(shí)沿著長(zhǎng)度方向每米大約80 N向上力），彈簧剛度對(duì)應(yīng)300 m水深時(shí)的纜索剛度值，纜索布設(shè)兩斜兩豎，纜索豎向分力均勻分配。

比較模型是：①比尺1∶100作為基準(zhǔn)比尺1∶50的比較工況。②纜索布設(shè)見(jiàn)圖5，基于此考慮不同初張力分配，例如圖5（a）2根豎纜和2根斜纜所承擔(dān)的豎向凈浮力分別為50%和50%、25%和75%、75%和25%。③纜索長(zhǎng)度與試驗(yàn)?zāi)M的原型水深條件有關(guān)，原型直接影響錨索剛度和質(zhì)量。介于試驗(yàn)水池的水深只有2 m，即便按1∶50縮尺最多也只能模擬約100 m水深的原型環(huán)境。因此試驗(yàn)中忽略錨索實(shí)際尺寸和質(zhì)量，只滿足彈性相似，也即只通過(guò)串聯(lián)不同剛度的彈簧來(lái)模擬90 m、150 m、300 m、450 m的水深條件。另一個(gè)更真實(shí)但代價(jià)更大的方案是改造水池。④模型端部約束比較工況見(jiàn)圖6。對(duì)鋼棒芯施加軸拉力是作為將來(lái)工程特殊考慮的預(yù)備試驗(yàn)。⑤設(shè)計(jì)基準(zhǔn)凈浮力8 kg/m，比較模型凈浮力為4 kg/m和12 kg/m，如果用文獻(xiàn)常用浮重比BWR來(lái)描述凈浮力，就分別是1.09、1.19和1.3（凈浮力是浮力與重力之差，BWR是兩者之商）。⑥部分鋼棒芯打磨弱化，模擬可能存在的剛度偏弱的中間接頭。⑦雙管錨索式懸浮隧道和雙管浮筒式懸浮隧道。后者設(shè)計(jì)可類比倒置的浮橋，浮筒模型的尺寸和重量相似分別通過(guò)泡沫和配重實(shí)現(xiàn)，并在浮筒及其與管體連接部位設(shè)置流體力測(cè)量?jī)x。⑧考慮水池條件，設(shè)置長(zhǎng)48 m特殊懸浮隧道模型，對(duì)應(yīng)2.4 km長(zhǎng)懸浮隧道（超過(guò)約2 km長(zhǎng)的世界最大跨索橋），平面60°放入水池中。

圖5 錨索布置Fig.5 Lineslayout

圖6 端部約束Fig.6 End connections

真實(shí)波浪是多向且不規(guī)則的，蛇形造波機(jī)最適宜，但這種水池當(dāng)前較罕見(jiàn)、已有水池申請(qǐng)排隊(duì)時(shí)間長(zhǎng)，另一方面機(jī)理試驗(yàn)工況很多，不具備可實(shí)施性。機(jī)理試驗(yàn)關(guān)注結(jié)構(gòu)（且注重邊界清晰）因而單向波流水池亦能達(dá)到目的。斜向浪作用于懸浮隧道可能由于管體沿程相位不同而激發(fā)非第一階共振。移動(dòng)造浪板或轉(zhuǎn)動(dòng)模型都可制造斜向浪。轉(zhuǎn)動(dòng)模型一種構(gòu)想是在水池池底、模型下方設(shè)“中餐轉(zhuǎn)盤”，另一種是水池排水，干環(huán)境重裝模型。

工況組合原則是效率優(yōu)先，也即方便工況轉(zhuǎn)換，盡量減少調(diào)整次數(shù)和總工作量。工作量大的動(dòng)作例如替換模型管體、模型或測(cè)量系統(tǒng)維修，這些工作需要將水池的水排干；工作量較大的動(dòng)作例如端部約束固結(jié)轉(zhuǎn)鉸結(jié)或自由、錨固方式置換（圖 5（a）～（e）），這些工作可能需要排一部分水；工作量較小的動(dòng)作包括敲擊、調(diào)節(jié)纜力分配、流場(chǎng)生成等。

3.4 可重復(fù)、可再現(xiàn)原則

為比較構(gòu)造特征變化時(shí)的模型響應(yīng)的改變，滿足可重復(fù)、可再現(xiàn)原則是懸浮隧道結(jié)構(gòu)行為機(jī)理試驗(yàn)的關(guān)鍵。因?yàn)橹挥心Ｐ图捌錁?gòu)件和子件可重復(fù)，模型固有力學(xué)特性在試驗(yàn)前可被精確測(cè)量，在試驗(yàn)過(guò)程中其改變是微小的，不影響觀察，模型響應(yīng)是可被精確測(cè)得的，水動(dòng)力環(huán)境可精確測(cè)量，水動(dòng)力條件在試驗(yàn)期間是可控的，同一工況是可再現(xiàn)的，試驗(yàn)的失敗率、模型及觀測(cè)的錯(cuò)誤率、工作失效風(fēng)險(xiǎn)是可控的，才可能觀察結(jié)構(gòu)行為的細(xì)小差異，在不同構(gòu)造特征的模型之間進(jìn)行比較，產(chǎn)生新知識(shí)。

3.5 水動(dòng)力環(huán)境

水池布置盡可能降低試驗(yàn)水池邊壁對(duì)懸浮隧道模型周圍流場(chǎng)的干擾，保障試驗(yàn)準(zhǔn)確性和規(guī)律性。水池上宜設(shè)兩座移動(dòng)橋（圖3），方便試驗(yàn)工作，包括試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒荚O(shè)以及測(cè)量?jī)x器與線路的布置?？紤]水下纜力調(diào)節(jié)、敲擊模型等作業(yè)，預(yù)先準(zhǔn)備下水穿戴和設(shè)備。試驗(yàn)前，對(duì)流場(chǎng)環(huán)境波浪和水流進(jìn)行率定，對(duì)水動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行評(píng)估，形成正式報(bào)告，作為試驗(yàn)可繼續(xù)往后進(jìn)行的判斷依據(jù)（對(duì)于大型系統(tǒng)試驗(yàn)而言返工或試驗(yàn)無(wú)效代價(jià)巨大）。水池中設(shè)置醒目試驗(yàn)標(biāo)識(shí)。水清澈，從水池岸邊可目測(cè)水下懸浮隧道模型。實(shí)際海底地形起伏不平，考慮機(jī)理試驗(yàn)更關(guān)注結(jié)構(gòu)，所以不額外模擬實(shí)際地形；因同樣的原因，忽略基礎(chǔ)變位，錨索與池底連接的錨點(diǎn)設(shè)為不動(dòng)點(diǎn)。波浪、水流及波流等環(huán)境工況均需在試驗(yàn)前率定，在試驗(yàn)期間也需持續(xù)觀測(cè)，確保水動(dòng)力環(huán)境的可知與可控。

3.6 測(cè)量

懸浮隧道工程原型關(guān)注的結(jié)構(gòu)響應(yīng)就是模型需要被觀測(cè)的響應(yīng)，包括：整體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、特征位置加速度和撓度、鋼棒芯特征位置應(yīng)變（包括端部應(yīng)變）、鋼棒芯軸向伸長(zhǎng)量、纜索拉力和攝像。要求各類測(cè)量系統(tǒng)統(tǒng)一坐標(biāo)系與方向，并編號(hào)。測(cè)量系統(tǒng)需第三方或現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。對(duì)于重要物理量，采用兩種及以上觀測(cè)方式從而相互驗(yàn)證。測(cè)量布置設(shè)計(jì)過(guò)程稿見(jiàn)圖7。

圖7 測(cè)量布置Fig.7 Measurement layout

4 實(shí)踐、反饋與思考

2018年7月提出構(gòu)想，并推動(dòng)，于2018年9月完成試驗(yàn)概念設(shè)計(jì)，交與試驗(yàn)人員細(xì)化實(shí)施。分兩隊(duì)，大工團(tuán)隊(duì)對(duì)模型進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與制造，天科院團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備水動(dòng)力環(huán)境。兩隊(duì)工作平行開(kāi)展。12月模型制造并調(diào)試好，從大連運(yùn)輸至天津建造好的試驗(yàn)水池。2019年1月完成模型第1次架設(shè)，隨即開(kāi)始試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)由島隧總部、大連理工和天科院成員組成，天科院協(xié)調(diào)。工作分工與合作模式如圖8所示。完成一次懸浮隧道的整體模型設(shè)計(jì)、制造、架設(shè)與灌水起浮，如同完成了一個(gè)懸浮隧道迷你工程。

圖8 試驗(yàn)分工與工作模式Fig.8 Test work-split and work-mode

試驗(yàn)開(kāi)始后，隨即發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并停下來(lái)討論與整改，并于4月份重啟。實(shí)踐過(guò)程的主要發(fā)現(xiàn)有：1）機(jī)理試驗(yàn)本身存在許多值得研究的問(wèn)題（因沒(méi)有直接借鑒資料），因而將早期試驗(yàn)工作稱為第一代機(jī)理試驗(yàn)，或“試驗(yàn)前的試驗(yàn)”，模型稱為“模型的模型”；2）為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，需要系統(tǒng)支撐、判斷和記錄，進(jìn)而提出第二代機(jī)理試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案作為正式試驗(yàn)，見(jiàn)本文第5節(jié)；3）較多應(yīng)變片在初次波浪試驗(yàn)過(guò)后失效，細(xì)長(zhǎng)柔性體水動(dòng)力試驗(yàn)需注意結(jié)構(gòu)安全與測(cè)試儀器量程范圍及安全；4）提出并比選了3種凈浮力模擬方法，見(jiàn)圖9。

圖9 浮力的3種模擬方法Fig.9 Three simulation methodsof buoyancy

圖9 （c）即第一代模型方案。內(nèi)嵌配重環(huán)，意味著每次改變凈浮力都需要更換管體，且對(duì)于該機(jī)理試驗(yàn)，由于模型制造工藝復(fù)雜，存在較大的管體力學(xué)性能和測(cè)量?jī)x器不能做到100%可重復(fù)和可再現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。圖9（a）用吊繩模擬，優(yōu)點(diǎn)是不需更換管體，且調(diào)節(jié)最靈活，缺點(diǎn)是模型管體豎向運(yùn)動(dòng)失真；圖9（b）用外置套環(huán)模擬，優(yōu)點(diǎn)同吊繩模擬，缺點(diǎn)是管體表面的凸起鋼環(huán)導(dǎo)致模型不再嚴(yán)格滿足形狀相似，且凸起程度隨凈浮力模擬要求存在差異，作用于模型的流體力可想而知存在差異。綜合利弊，第二代試驗(yàn)選擇外套配重環(huán)。值得一提，吊繩式凈浮力模擬方式為懸浮隧道整體行為純結(jié)構(gòu)能耗機(jī)理試驗(yàn)提供了啟發(fā)，另見(jiàn)它文。

5 第二代機(jī)理試驗(yàn)

機(jī)理試驗(yàn)比一般意義工程試驗(yàn)更難以實(shí)現(xiàn)的本質(zhì)原因是試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不僅尋找答案或證明答案，還用來(lái)發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題與觀察意料之外的現(xiàn)象。因此需要將所有工作放在系統(tǒng)中來(lái)考慮和接受檢驗(yàn)。結(jié)合原則和實(shí)踐，試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖10，只有系統(tǒng)正常工作才能證明試驗(yàn)結(jié)果有效，分4個(gè)子系統(tǒng)：1）模型體系；2）環(huán)境體系；3）支撐體系；4）驗(yàn)證體系。

圖10 第二代機(jī)理試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.10 Second generation mechanism test system

為了確保模型制造精度，也即確?？芍貜?fù)、可再現(xiàn)原則，模型體系強(qiáng)調(diào)工具化、裝配化。例如，配重環(huán)標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)環(huán)、帶吊耳環(huán)、連接測(cè)量架系統(tǒng)環(huán)、模型管體分段部位重量調(diào)節(jié)環(huán)，以及撞擊部位傳力環(huán)。工具化、裝配化也提高模型工況轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提高試驗(yàn)整體效率。工裝屬于模型體系的一部分。

支撐體系包括數(shù)據(jù)管理、標(biāo)準(zhǔn)化、風(fēng)險(xiǎn)管理和試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)。數(shù)據(jù)管理需做到物理時(shí)間過(guò)程同步、建立用于指導(dǎo)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)決策的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。標(biāo)準(zhǔn)化用于降低試驗(yàn)人員安全風(fēng)險(xiǎn)與試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)模型、模型節(jié)段、節(jié)段構(gòu)件、子件、零件、測(cè)量?jī)x器等進(jìn)行編號(hào)，試驗(yàn)人員交流形成專用術(shù)語(yǔ)。

機(jī)理試驗(yàn)工況多。前面工作未檢驗(yàn)就開(kāi)始做后面的工作，再又發(fā)現(xiàn)前面的工作并不滿足要求，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效的損失大，進(jìn)而試驗(yàn)失效風(fēng)險(xiǎn)大。圖11描述了試驗(yàn)主要工作及工序?qū)哟侮P(guān)系，試驗(yàn)中需動(dòng)態(tài)調(diào)整關(guān)鍵路徑，確保試驗(yàn)高效。建立試驗(yàn)信息記錄檢查判別清單，內(nèi)容包括原材料檢驗(yàn)、測(cè)量元件檢驗(yàn)、自檢記錄、第三方檢驗(yàn)等。

圖11 試驗(yàn)工序Fig.11 Test procedures

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于前瞻性工程問(wèn)題，沒(méi)有可借鑒的工程案例，為了讓試驗(yàn)可行，將試驗(yàn)分為機(jī)理、參數(shù)和工程3階段。本文提出懸浮隧道整體結(jié)構(gòu)行為機(jī)理試驗(yàn)，系統(tǒng)地介紹了從機(jī)理試驗(yàn)的構(gòu)想到實(shí)踐再反饋的過(guò)程與背后的討論。機(jī)理試驗(yàn)的關(guān)鍵在于可重復(fù)、可再現(xiàn)，試驗(yàn)方法本身也值得研究。

有關(guān)懸浮隧道進(jìn)一步的試驗(yàn)工作。1）由于水池尺寸限制，該試驗(yàn)不可避免地存在較大尺寸效應(yīng)。懸浮隧道整體結(jié)構(gòu)機(jī)理試驗(yàn)需要與節(jié)段真實(shí)剛度參數(shù)試驗(yàn)相結(jié)合?，F(xiàn)有試驗(yàn)大水槽可將懸浮隧道管體比尺做到1∶5以上；2）目前已在武漢開(kāi)展懸浮隧道整體行為純結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，純結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與水池試驗(yàn)有可能共享同一個(gè)懸浮隧道模型，進(jìn)而后者的結(jié)果通過(guò)前者的結(jié)果分析并剝離出單純的水對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)行為機(jī)理的影響；3）隨著結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步發(fā)展，第三階段工程試驗(yàn)需要加強(qiáng)水動(dòng)力環(huán)境模擬，包括模擬不均勻流和多向不規(guī)則波等。