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原文传递考虑交通荷载影响的悬浮隧道结构动力响应研究

论文题名：	考虑交通荷载影响的悬浮隧道结构动力响应研究
关键词：	悬浮隧道;交通荷载;动力响应;数值模拟;模型试验
摘要：	悬浮隧道是继跨海大桥、海底沉管隧道后又一种跨越深水域的创新型交通构筑物，是未来解决峡湾跨越、深海通道等重大交通工程问题的重要方式，近年来受到世界各国专家学者的关注，并开展了大量相关研究。悬浮隧道结构在各种荷载作用下的动力响应问题一直是该研究领域的焦点，除了关注悬浮隧道结构外部的波浪和水流荷载，其内部的交通荷载也值得深入研究。为了研究交通荷载作用对悬浮隧道动力响应的影响规律，本文分析了悬浮隧道交通荷载的构成及影响因素，提出适宜的交通荷载模拟表达式，并通过数值模拟和模型试验，揭示交通荷载作用下的悬浮隧道动力响应规律，所开展的研究工作主要有: 　　(1)分析悬浮隧道承受的荷载分类，按照形成方式及作用特点的不同，悬浮隧道承受的荷载种类主要可分为环境荷载、永久荷载、功能荷载、变形荷载和偶然荷载，交通荷载为悬浮隧道运营阶段承受的主要功能荷载。　　(2)通过对比悬浮隧道交通荷载与普通公路桥梁、隧道交通荷载的特点，确定悬浮隧道交通荷载的构成形式包括固定荷载和附加动荷载，其中附加动荷载由内部诱因和外部激励两部分原因组成，并提出影响悬浮隧道交通荷载的主要因素有:车辆构造、路面平整度、行车速度和外部激励荷载。　　(3)以公路交通中的汽车荷载作为悬浮隧道交通荷载的研究对象，采用移动振动荷载模拟汽车荷载的竖向力，结合公路交通荷载的研究成果，并综合考虑悬浮隧道交通荷载的影响因素，提出随机波动条件下的悬浮隧道交通荷载模拟表达式。该模拟表达式与车辆构造、路面状况、行车速度、外部激励荷载关系密切，能在一定程度上模拟悬浮隧道中的交通荷载。　　(4)以动荷比为评价指标，分析悬浮隧道交通荷载各计算参数对交通荷载计算值的影响。分析结果表明:车辆轴重的增加使动荷比波动曲线振幅减小、周期延长，动荷载比例相对降低;行车速度加快使动荷比波动曲线振幅增大，周期减小，动荷载比例相对增加;路面平整度与外部激励荷载影响动荷比波动曲线的振幅，但周期不变，且振幅均呈正比例变化。　　(5)利用数值分析软件ANSYS建立悬浮隧道动力响应数值分析模型，在数值模型的基础上，分析了交通荷载的模拟方法、加载方式、计算参数、冲击作用、极限工况等对悬浮隧道动力响应的影响。数值分析结果表明:交通荷载模拟方法中的移动振动荷载比固定均布荷载和移动集中荷载更适合模拟悬浮隧道中的交通荷载;车辆数量增多与车辆间距缩短都会促进悬浮隧道动力响应的增量;交通荷载计算参数中的车辆构造、路面平整度、行车速度对悬浮隧道动力响应的影响较小，而外部激励荷载中的波流荷载对悬浮隧道动力响应的影响较明显;交通荷载的冲击作用会促进悬浮隧道动力响应的增量，且不同截面的动态增量不一致;交通荷载极限工况下的不同布载方式对悬浮隧道动力响应的影响不一样，但需保证管段接头处的相对位移在可控范围内。　　(6)为定量分析交通荷载对悬浮隧道动力响应的影响，通过正交试验法和层次分析法分别分析交通荷载各影响因素对悬浮隧道动力响应的影响程度和影响权值。研究结果表明:无论是对管段跨中横流向振动位移或管段迎流侧锚索拉力，波流荷载的影响程度和影响权重都是最大的。　　(7)通过开展大比尺悬浮隧道模型试验，测试交通荷载对悬浮隧道整体结构动力响应的影响以及外部波流荷载对试验小车竖向荷载的影响。试验结果表明:内部交通荷载对管段模型的横流向位移、锚索拉力具有抑制作用，对管段周边压强具有促进作用;外部波流荷载使试验小车作用在路面板迎流侧与背流侧的竖向荷载产生细微偏差，对竖向荷载的影响而言，外部波流荷载中的波浪比水流的影响更明显; 　　(8)对比分析数值模拟结果与模型试验结果，发现两者之间存在相同点和不同点。相同点为:波流荷载对悬浮隧道动力相应的影响规律相似，说明模型试验主要部分的设计与数值模拟是相符合的;不同点为:悬浮隧道动力响应增量的变化规律不一致，这是由于两种研究方法的锚索材料无法完全相似所致。
作者：	蒋博林
专业：	土木工程；桥梁与隧道工程
导师：	梁波
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2019