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(jì)方法研究攻關(guān)組，廣東 珠海 519000；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(qiáng)，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(jì)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(jì)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(dá)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(jì)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(jì)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(jìn)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(qiáng)的財(cái)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(jì)工作(即使找到會計(jì)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(jì)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(jì)工作的約72%，沒有從事會計(jì)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，豎向剛度減小；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(jìn)行變化，分別計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jìn)行典型動靜力工況計(jì)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(jì)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(jìn)行其它計(jì)算計(jì)較。綜上結(jié)論是，工程計(jì)算不應(yīng)忽略海床面實(shí)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?yàn)闆]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(jìn)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(yùn)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jìn)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。