内波和海流联合作用下水中悬浮隧道动力响应及振动控制分析

摘要

水中悬浮隧道是一种创新型交通跨越方式，在深海、超长距离、环境敏感等特殊水域地区，能有效的解决环境问题、降低工程造价以及具有优越的抗震特性。尽管目前全世界仍没有一座悬浮隧道建成，但其设计理念早已成为与传统交通方式（如跨海桥梁、沉管隧道和海底隧道）相竞争的一种富有吸引力的技术选择。作为一种创新技术，其借助水的浮力使封闭的管体结构悬浮在水中，并通过张力腿系统锚固在海床上，在海洋结构工程中悬浮隧道具有独特的优势。　　本文针对这一新型结构物，考虑了海洋环境内的两种典型荷载（内波和海流）的联合作用，分析研究了组合荷载作用下水中悬浮隧道的动力特性和力学行为，并以拟建工程为背景，对悬浮隧道进行了振动响应及控制分析，具体开展的工作包括:　　(1)基于势流函数理论建立了层化海洋内波流场，叠加海流流场形成联合作用场，采用Morison公式考虑内波和海流联合作用力，建立悬浮隧道-流体相互作用非线性振动数学物理模型。运用Galerkin法数值求解结构的振动方程，研究了海洋内波和海流共同作用及海流单独作用下水中悬浮隧道的多模态动力响应行为。　　(2)根据悬浮隧道拟建工程在联合作用下的动力响应特性，结合隧道结构本身和联合荷载的固有特性，提出了有效的减振措施。首先建立隧道管体的梁模型，将隧道模拟为简单梁和刚性梁的叠加梁，即振型近似为一个弯曲正弦模态和一个刚体模态的叠加;然后建立隧道结构与联合荷载之间的减振关系，控制由联合荷载导致的悬浮隧道的自由振动而非受迫振动来减小隧道的振动幅值，从而实现振动控制的目标;最后，通过对悬浮隧道拟建工程的减振响应的分析，验证和评价了减振措施的有效性，并对悬浮隧道的结构设计提出了参考性建议。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 悬浮隧道的概念

1．2．1 悬浮隧道的组成

1．2．2 悬浮隧道的特点

1．2．3 悬浮隧道发展的历史进程

1．3 悬浮隧道的研究进展

1．3．1 波流荷载研究

1．3．2 地震荷载研究

1．3．3 结构设计研究

1．3．4 涡激动力研究

1．3．5 模型试验研究

1．3．6 发展趋势与技术瓶颈

1．4 本文的研究工作

1．4．1 研究思路

1．4．2 研究内容

1．4．3 研究目的

2 内波和海流联合荷载研究

2．1 内波概念和背景

2．2 海流概念和背景

2．3 内波和海流联合作用基本理论

3 内波和海流联合作用下水中悬浮隧道的动力响应

3．1 隧道-流体相互作用非线性振动数学物理模型

3．2 流场

3．2．1 内波流场

3．2．2 海流流场

3．2．3 联合流场

3．3 悬浮隧道流体作用力计算

3．3．1 振动微分方程

3．3．2 Morison公式

3．3．3 伽辽金变换

3．4 拟建工程实例分析

3．4．1 工程背景

3．4．2 海流作用下动力响应

3．4．3 内波和海流联合作用下动力响应

3．4．4 数值分析

3．5 本章小结

4 内波和海流联合作用下水中悬浮隧道的振动控制

4．1 目的

4．2 控制机理

4．2．1 振动控制模型

4．2．2 控制方程理论求解

4．2．3 控制理论

4．3 拟建工程数值计算

4．3．1 振动控制后联合作用下悬浮隧道的动力响应

4．3．2 减振分析

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 本文主要创新点

5．3 值得进一步研究的问题

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果