本技术涉及一种水下悬浮隧道管体三维动态响应的预测方法,旨在解决传统二维平面模型无法准确预测悬浮隧道管体三维运动响应的问题。
背景技术
随着科技发展,跨海通道如海底隧道和跨海大桥在全球迅速建设,极大促进了经济和文化交流。然而,传统跨海通道面临许多挑战,如高施工成本、环境影响和安全隐患等。水下悬浮隧道(Submerged Floating Tunnel,以下简称悬浮隧道)作为一种创新解决方案,具有:生态影响低、施工灵活、抗灾能力高、以及适应地形能力强等诸多优点。随着技术的不断进步,悬浮隧道在全球范围内的应用前景将更加广阔,有望为解决传统跨海通道建设的难题提供有效的替代方案。
悬浮隧道由标准节段的管状结构、水下锚固系统(或水上浮式结构)、以及与岸边相接的驳岸段构成。管状结构通过净浮力和支撑系统与施工以及运营阶段的外部和内部荷载相平衡,具备完整的受力体系。目前,悬浮隧道根据支撑方式分为:桥墩式、浮筒式、以及锚索式三类。桥墩式由墩柱支撑,适合浅水区,但在深水中成本高、技术难度大。浮筒式通过水面浮筒保持稳定,易受风浪和船舶碰撞影响。锚索式通过水底锚索将管体固定在水面以下20-30米位置处,受外部影响小,适应性强,对环境影响小。综上,与桥墩式和浮筒式悬浮隧道相比,锚索式悬浮隧道具有更强的跨越和地形适应能力,此外,其锚固系统的设计与施工可借鉴成熟的海洋平台技术。因此,锚索式悬浮隧道成为最具有实际价值和发展前景的悬浮隧道形式。当复杂环境载荷作用于悬浮隧道管体时,周期性载荷会引发结构产生运动。作为一种大型水下结构,悬浮隧道的设计和维护必须特别谨慎。一旦该结构遭受损坏,不仅会导致巨大的经济损失,还可能造成不可挽回的人员伤亡。为了确保悬浮隧道管体内部行人和行车的安全,需要保证隧道管体在复杂海洋环境载荷作用下能够安全、稳定地工作,这也是悬浮隧道设计和研究的关键目标之一。
水下悬浮隧道很容易受到周围复杂环境载荷的作用,特别在是洋流和波浪等载荷的持续作用下悬浮隧道管体极易发生涡激共振等危险运动响应,给悬浮隧道正常工作时的稳定性和安全性带来极大威胁。因此,开发出一种稳定且可靠的波流联合激励下悬浮隧道管体三维运动响应数值预报方法,并基于该方法深入分析波流联合激励下悬浮隧道管体的耦合动力响应特征,是确保悬浮隧道管内行人和行车安全的重要前提。对于波流联合激励下悬浮隧道管体的动力响应研究,根据研究方法大致分为三类:模型实验研究、理论计算研究和数值计算研究。与模型实验以及理论计算方法相比,基于计算流体动力学(CFD)方法的数值计算研究具备:研究成本低、经验模型系数少等优点,特别适合进行大规模的参数影响特征分析。目前的理论和计算研究往往将悬浮隧道管体三维真实模型简化为二维平面模型。这种简化处理方法虽然在一定程度上可有效降低计算复杂性,但却难以真实反映真实管体结构的三维运动响应特性,并进一步导致对管道在波流联合激励下的动态行为理解不够透彻。此外,在当前的模型实验研究中,由于实验成本的高昂以及技术条件的限制,研究人员在分析悬浮隧道管体在波流联合激励下的三维运动响应时,通常无法准确捕捉流体与结构之间的复杂相互作用,进而导致对管道动态行为的理解不够深入和准确。
实现思路