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原文传递波浪环境下悬浮隧道动力特性与理论研究

论文题名：	波浪环境下悬浮隧道动力特性与理论研究
关键词：	悬浮隧道;波浪环境;动力响应;波固耦合;频域计算;水动力系数
摘要：	随着我国海洋强国战略的逐步实施以及“一带一路”海上丝绸之路的开通，我国 18000 公里的漫长海岸线上蕴藏着巨大的经济发展契机，建立跨越海峡海洋的交通设施已势在必行。悬浮隧道（SFT）作为一种新型的交通构筑物，在跨越深水或水下地形复杂的海域时具有得天独厚的优势，在未来的跨海设施建造中具有广阔的应用前景。波浪运动是海洋中流体微团最普遍的运动形式，波浪场中悬浮隧道的振动与管体周围流体微团的运动相互耦合，使计算管体所受波浪荷载以及相应的管体动力响应变得非常的困难。目前国内外对于波浪环境中悬浮隧道管体的动力响应的研究任然不充分，同时缺少相应的理论计算方法，这严重阻碍了悬浮隧道的发展。本文从波浪环境中悬浮隧道的整体响应出发，对悬浮隧道管体在波浪荷载作用下的整体动力响应以及相关的流固耦合分析方法进行了系统的分析和研究，提出了悬浮隧道波固耦合频域计算理论，并基于该理论以及人工神经网络，对不同形状和尺寸管体截面的水动力系数进行修正和预测。本文的主要研究内容与结论如下：　　（1）推导并改进了已有的锚索约束反力计算公式，将改进后的锚索约束反力计算公式融入到本文所提的悬浮隧道固耦合频域分析方法中，同时利用所提方法对一个典型工况下的悬浮隧道动力响应进行了分析，并且通过和已有计算数据以及有限元模型计算的结果做对比，验证了所提分析方法计算结果的准确性。并且发现当管体出现相对较大的水平或扭转位移时（如在波浪环境中），改进后的锚索约束反力计算公式比原有计算公式的计算结果更准确。　　（2）总结分析了部分现有的悬浮隧道动力响应计算相关理论，并在此基础上提出了一套悬浮隧道波固耦合频域计算理论。首先根据波浪环境中悬浮隧道结构的特点，将管体简化为两端简支约束且具有水平、竖向、扭转三个自由度的弹性地基梁模型，并基于Hamilton原理导出管体的运动控制方程，并将管体运动控制方程中的管体位移函数与基于二维线性绕射势流理论的波浪速度势函数同时分离出相同频率的简谐时间因子，建立波浪-管体的稳态求解问题，并通过管体模态叠加法与高阶边界元数值算法（BEM）求解管体所受波浪力，进而获得管体的稳态动力响应。　　（3）基于所提出的悬浮隧道波固耦合频域计算理论，对波浪环境下悬浮隧道的动力响应进行了多参数敏感性分析，探究各参数与波浪荷载以及结构动力响应之间的内在关系和作用机理。结果表明：在线性规则波作用下，悬浮隧道在整个管长范围内的峰值弯矩以及峰值竖向位移出现在管体的驳岸端附近，而管体的峰值水平位移和扭转位移出现在跨中。由于锚索的约束作用，管体的水平位移与扭转位移存在耦合关系，两者相互影响，这种耦合关系与锚索的倾斜角度和安装角度均有关系，当倾斜角与安装角之和为90°时，该耦合关系会被消除，此时锚索不再提供扭转约束力。圆形截面和椭圆形截面的管体具有较好的水动力特性，在相同的波浪荷载作用下，其受到的波浪力较小，同时管体的动力响应也较小。　　（4）利用本文所提方法对管体水平和竖向波浪力的计算结果，采用最小二乘法对Morison方程中的水动力系数进行修正，可以使得用Morison方程计算的管体波浪力与绕射势流理论计算的波浪力能够较好的吻合。并且利用在不同工况下修正的水动力系数所构建的数据集训练出的人工神经网络，可以较好的预测未知工况下的水动力系数，通过最小二乘法的拟合以及人工神经网络的预测，Morison方程也可以相对准确的计算大尺度结构上的水平和竖向波浪力。
作者：	罗文珑
专业：	土木工程;结构工程
导师：	陈悦;黄博
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023