悬浮隧道结构选型关键参数理论研究

摘要

悬浮隧道，英文名译为Submerged Floating Tunnel，简称SFT，是一种能够用于跨越江河湖泊、海湾、海峡和其他水道的一种新型管状交通构筑物。与传统隧道的不同在于隧道结构完全被水包围，既不在地层上也不穿越地层，其力学原理是利用结构自身的重量、水体对结构的浮力和锚固力三者的平衡作用，来达到隧道结构悬浮于水中一定深度的目的。这种新型交通结构形式具有通行时间短、不受极端自然天气的影响、建造地点选择较为自由、对自然景观能达到最大程度保留、经济效益高、建造费用合理等等众多优点，这将使得未来悬浮隧道在解决各国岛屿与陆地连接、海湾通道和近海岸工程建设等领域扮演越来越重要的角色。正是这种潜在的巨大工程应用价值，悬浮隧道正成为现今隧道专业方向新的研究领域。
　　本文针对悬浮隧道主要开展了以下研究工作:
　　1.概述了悬浮隧道在水环境下所受到的荷载作用类型，并对各种荷载加以归纳总结。
　　2.对波浪理论做了简要介绍，重点对波浪和水流对悬浮隧道的作用力进行了计算方法分析，同时对波流联合作用下的悬浮隧道管段结构作了分析，并得到了运用定常流理论来计算水流对悬浮隧道的荷载值。
　　3.对流固耦合基本原理做了详细介绍，并对流体运动方程和湍流模型做了详细说明，用来分析流体运动的实质力学原理，对流体运动有一个清晰的认识。
　　4.运用有限元软件建立二维模型，利用流固耦合原理，分析在八种断面形式下，悬浮隧道管段截面周边的流场、压力场分布规律，并加以研究总结。
　　5.运用有限元软件构建三维模型，利用流固耦合原理，参考前者分析结果，选择3种断面形式，在改变洋流流速、悬浮深度、断面类型3种影响悬浮隧道结构选型的关键参数下，分析隧道管体的位移分布和应力应变分布情况，并对结果作分析研究，确定最为合适的断面形式，为将来悬浮隧道的断面设计、工程建设提供一些参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 悬浮隧道简介

1．2．1 悬浮隧道的概念

1．2．2 悬浮隧道的特点

1．3 悬浮隧道国内外研究概况

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 水中悬浮隧道管段荷载作用分析

2．1 荷载作用分类

2．2 波浪理论简介

2．2．1 波浪理论的控制方程

2．2．2 方程边界条件

2．3 常见规则波浪理论

2．3．1 线性波浪理论

2．3．2 非线性波浪理论

2．4 悬浮隧道波浪作用力分析

2．4．1 引言

2．4．2 Morison方程及其参数值的确定

2．4．3 波浪力的折减

2．5 悬浮隧道水流作用力分析

2．5．1 引言

2．5．2 拖曳力

2．5．3 漩涡泄放现象

2．5．4 涡激振动作用

2．6 悬浮隧道波浪和水流的联合作用分析

2．7 本章小结

第三章 流固耦合基本原理及流体运动方程

3．1 流固耦合基本原理

3．1．1 流固耦合简述

3．1．2 流固耦合坐标系

3．2 流固耦合计算

3．2．1 流固耦合控制方程

3．2．2 耦合界面间的数据传递

3．2．3 求解方法

3．3 流体运动基本方程

3．3．1 连续方程

3．3．2 运动方程

3．3．3 雷诺方程

3．4 湍流计算模型

3．4．1 零方程模型

3．4．2 一方程模型

3．4．3 RNG k-ε方程模型

3．5 本章小结

第四章 水中悬浮隧道流固耦合数值分析

4．1 ADINA有限元软件介绍

4．1．1 引言

4．1．2 软件历史

4．1．3 用户界面介绍

4．1．4 软件分析过程及控制参数

4．2 流固耦合模型建立的基本步骤

4．3 悬浮隧道几何模型的建立

4．3．1 绕流场模型的选择及模型边界条件

4．3．2 三维悬浮隧道模型选择

4．4 二维绕流模型计算结果分析

4．4．1 流场分析

4．4．2 稳态压力及稳态压力系数分析

4．5 流速影响作用分析

4．5．1 横向位移值

4．5．2 竖向位移值

4．5．3 端部、跨中断面处应力分布分析

4．6 悬浮深度影响作用分析

4．6．1 横向位移值

4．6．2 竖向位移值

4．6．3 端部、跨中断面处应力分布分析

4．7 断面变化影响作用分析

4．8 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 不足与建议

5．3 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果