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考虑锚索松弛的悬浮隧道冲击动力响应数值模拟.pdf
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1、引用格式:杨赢,雷岚,赵超,等.考虑锚索松弛的悬浮隧道冲击动力响应数值模拟J.隧道建设(中英文),2023,43(10):1733.YANG Ying,LEI Lan,ZHAO Chao,et al.Numerical simulation of impact dynamic response of submerged floating tunnel considering cable slackageJ.Tunnel Construction,2023,43(10):1733.收稿日期:2022-12-25;修回日期:2023-08-02基金项目:浙江省自然科学基金项目(LQ19E09000
2、8);浙江大学-浙江交工协同创新联合研究中心资助(ZDJG2021009)第一作者简介:杨赢(1990),男,浙江新昌人,2017 年毕业于浙江大学,桥梁与隧道工程专业,博士,讲师,主要从事悬浮隧道结构动力分析工作。E-mail:yangyingzju 。考虑锚索松弛的悬浮隧道冲击动力响应数值模拟杨 赢1,雷 岚1,赵 超2,项贻强3(1.绍兴文理学院土木工程学院,浙江 绍兴 312000;2.浙江交工集团股份有限公司,浙江 杭州 310051;3.浙江大学建筑工程学院,浙江 杭州 310058)摘要:为研究冲击荷载作用下悬浮隧道锚索的松弛现象及结构动力响应,采用 ABAQUS 软件建立悬浮隧
3、道整体有限元模型,通过刚度的变化来模拟锚索的松弛状态,由 UAMP 子程序接口计算与管体振动速度对应的流体阻力幅值,得到考虑锚索松弛的悬浮隧道冲击动力响应,并分析冲击荷载、浮重比、锚索倾角等因素对动力响应的影响。结果表明:1)在冲击荷载作用下,悬浮隧道锚索会发生松弛现象,使结构整体动力响应增大;2)锚索在松弛张紧过程中会产生冲击张力;3)增大冲击荷载和增加冲击荷载时间会使锚索松弛范围增大,索力的恢复时间增长,冲击张力增大;4)增大管体浮重比有利于减少锚索松弛现象,浮重比建议取值为1.4 左右;5)考虑到松弛效应、初始索力和锚索布置等因素,锚索倾角建议取值为 4560。关键词:悬浮隧道;锚索松弛
4、;冲击荷载;数值模拟;索力;动力响应DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.10.009文章编号:2096-4498(2023)10-1733-08中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):N Nu um me er ri ic ca al l S Si im mu ul la at ti io on n o of f I Im mp pa ac ct t D Dy yn na am mi ic c R Re es sp po on ns se e o of f S Su ub bm me er rg ge ed d F Fl lo
5、 oa at ti in ng g T Tu un nn ne el l C Co on ns si id de er ri in ng g C Ca ab bl le e S Sl la ac ck ka ag ge eYANG Ying1,LEI Lan1,ZHAO Chao2,XIANG Yiqiang3(1.College of Civil Engineering,Shaoxing University,Shaoxing 312000,Zhejiang,China;2.Zhejiang Communications Construction Group Co.,Ltd.,Hangzho
6、u 310051,Zhejiang,China;3.College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310058,Zhejiang,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:The overall finite element model of a submerged floating tunnel(SFT)is established using ABAQUS software,and the slacking state of the cable is simulate
7、d by changing its stiffness to explore the slackage of the SFT cable and the structural dynamic response under impact load.Subsequently,the hydraulic resistance amplitude corresponding to the vibration velocity of the tube is calculated by the UAMP subroutine,obtaining the impact dynamic response of
8、 SFT considering the slackage of the cable.Finally,the effect of impact load,buoyancy-weight ratio,and cable inclination on the dynamic response is analyzed.The results reveal the following:(1)Under the impact load,the SFT cable will experience slackage,increasing the structures overall dynamic resp
9、onse.(2)During the slackage-tension process,impact tension is generated.(3)Increasing the magnitude and duration of the impact load will increase the slackage range,the recovery time,and the impact tension of the SFT cable.(4)Increasing the tubes buoyancy-weight ratio is beneficial to reduce the sla
10、ckage of the cable,and the recommended buoyancy-weight value is 1.4.(5)Considering the slackage effect,initial force,and SFT cable arrangement,the recommended cable inclination angle value is between 45 and 60.K Ke ey yw wo or rd ds s:submerged floating tunnel;cable slackage;impact load;numerical si
11、mulation;cable force;dynamic response隧道建设(中英文)第 43 卷0 引言悬浮隧道(submerged floating tunnel,简称 SFT)是一种新型交通建筑物,由悬浮在水中一定深度的管体、锚泊系统和与两岸相连的构筑物组成。与传统桥梁相比,悬浮隧道的建设与运营对环境影响较小。此外,悬浮隧道每单位长度的建造成本不随总跨度的增加而增加,为复杂水域的通道建设提供了一种全新的选择1-2。在运营过程中,悬浮隧道面临着沉船、坠物、车辆撞击的风险,对隧道结构安全构成极大威胁。目前,已有学者对悬浮隧道在冲击荷载作用下的动力行为展开了研究。在整体动力响应方面,Xi
12、ang等3将 悬 浮 隧 道 管 体 简 化 为 弹 性 地 基 梁,基 于Hamilton 原理推导了冲击荷载作用下管体的振动控制方程,对管体空间动力响应进行了分析;张嫄等4采用弹性支撑梁,通过伽辽金法求解控制方程,分析了在冲击荷载作用下悬浮隧道跨中的时程位移,并讨论了张力腿竖向刚度、冲击物质量、冲击速度对悬浮隧道跨中位移的影响;杨赢等5通过 ABAQUS 中 UAMP 子程序接口计算管体运动过程中的流体阻力,对冲击荷载作用下悬浮隧道的整体动力响应进行数值模拟,并通过试验验证了建模方法的有效性;Wang 等6研究了端部约束、管长、结构阻尼和水力阻力等多种因素对冲击载荷作用下悬浮隧道响应的影响
13、,指出当无量纲长度超过 100 时,端部约束对管体最大位移的影响可以忽略不计。冲击荷载会对管体局部造成损伤,在局部响应方面,杨赢等7建立了管体三维实体模型,分析了钢筋混凝土截面和钢-混组合截面在碰撞作用下的损伤情况;Luo 等8考虑了流固耦合效应,采用 SPH法对悬浮隧道管体在遭受潜艇碰撞时的局部动力响应进行了数值模拟。已有研究表明,锚索式悬浮隧道在极端荷载作用下会出现锚索松弛,对结构安全产生影响。Mazzolani等9发现在地震荷载作用下,悬浮隧道锚索会完全失去其初始张力而出现松弛,并表现出明显的非线性行为;Lu 等10-11通过改变锚索支撑刚度,研究了波浪环境中悬浮隧道的动力学响应,发现在
14、较大的浪高下,锚索易出现松弛现象;苏志彬等12考虑了锚索松弛效应,分析了在索端参数激励作用下水中悬浮隧道的振动响应,指出悬浮隧道锚索松弛对其振动的影响不可忽略;Wu 等13设计了一种水下振动装置来模拟地震激励,研究发现在地震荷载作用下,锚索会产生交替的松弛-张紧行为。锚索一旦发生松弛,其对管体的支撑作用消失,从而影响结构的整体稳定;当再次张紧时,锚索拉力会显著增大,可能导致断索的发生。Xiang 等14-15研究了锚索突然失效时悬浮隧道的整体动力响应,研究表明锚索突然断裂后,管体振动强烈;阳帅等16研究了波流作用下悬浮隧道局部锚索的破断动力响应,得出锚索破断会引起结构的高频振动和产生冲击效应;
15、Wu 等17的研究指出,不同情况下结构的瞬态效应、力的再分配和冲击力是决定锚索断裂下悬浮隧道失稳和逐渐坍塌的关键因素。冲击荷载量值大,属于极端的荷载工况,也可能导致悬浮隧道锚索出现松弛,对结构安全不利。因此,有必要建立反映真实情况的计算模型,分析冲击荷载作用下考虑锚索松弛效应的动力响应。本文采用 ABAQUS 软件建立悬浮隧道在冲击荷载作用下的有限元模型,采用 Morison 方程计算流体阻力,并通过 UAMP 子程序进行模拟,分析并对比考虑与不考虑锚索松弛效应下悬浮隧道结构的动力响应,并对冲击荷载、浮重比、锚索倾角等参数对悬浮隧道锚索松弛行为的影响进行研究。1 悬浮隧道有限元建模1.1 结构
16、基本参数悬浮隧道结构示意如图 1 所示。由于目前还尚未有悬浮隧道建成的先例,因此,本文计算参数取自文献5和文献18,如表 1 所示。悬浮隧道管体的总长度为 2 000 m,沿管体轴线方向均匀布置 19 对锚索。为简化计算过程,假定各根锚索具有相同的物理参数。因管体冗余浮力的作用,锚索处于张紧状态。不考虑管段接头和碰撞局部损伤对管体整体抗弯刚度的影响。l0为锚索长度;为锚索倾角;为锚索安装角;r 为管体半径;w 为管体壁厚;h 为锚索间距。图 1 悬浮隧道结构示意图Fig.1 Schematic of SFT1.2 有限元模型和松弛判据采用 ABAQUS 软件建立有限元模型,其中,管体采用梁单元
17、 B31 模拟,锚索采用桁架单元 T3D2 模拟。整体模型共划分为 2 038 个单元,总节点数为6 077 个。管体两端为简支边界,锚索与管体之间通过 MPC 约束实现铰接,锚索与基础铰接。悬浮隧道有限元模型如图 2 所示。4371第 10 期杨 赢,等:考虑锚索松弛的悬浮隧道冲击动力响应数值模拟表 1 悬浮隧道基本参数Table 1 Basic parameters of SFT构件项目数值管体锚索流体弹性模量 E/MPa3.55104单位长度质量 m0/kg1.1105长度 l/m2 000半径 r/m7.5壁厚 w/m1长度 l0/m231直径 dc/m0.347弹性模量 Ec/MPa
18、1.95105倾角/()60安装角/()90间距 h/m100密度/(kgm-3)1 028图 2 悬浮隧道有限元模型Fig.2 Finite element model of SFT为分析对比锚索松弛效应对悬浮隧道冲击动力响应的影响,设置 2 种锚索刚度变化情况。1)不考虑松弛。忽略索力变化对轴向刚度的影响,假定锚索刚度不变,且可以承受轴向压力。2)考虑松弛。锚索和管体位移关系如图 3 所示。在竖向冲击荷载作用下,管体产生向下位移 u,当锚索的伸长量 li0 时,其索力为 0,即产生松弛现象。第i 根锚索的刚度表达式11为:Ki(li)=k(li0),0(li0)。li=li-ln,i=1,
19、2。(1)其中,k=EAln。(2)式(1)(2)中:k 为锚索的抗拉刚度;li为第 i 根锚索的瞬时长度;ln为无应力长度;E 为锚索弹性模量;A 为锚索横截面积。1.3 荷载施加1)静力荷载。在 ABAQUS 中荷载模块为悬浮隧道施加静力,包括浮力及重力,模拟悬浮隧道结构在静水中的受力状态。u 为管体竖向位移;P 为冲击荷载。图 3 锚索和管体位移关系Fig.3Schematic of displacement of SFT section under impact load2)流体惯性力。流体惯性力通过在 ABAQUS 截面属性模块中设置浸没截面来实现。3)流体阻力。流体阻力采用 UAM
20、P 子程序进行计算,每一步增量中利用 ABAQUS 中的 Sensor 功能记录当前时刻管体不同位置的竖向运动速度值,传递给UAMP 子程序;在子程序中基于 Morison 方程计算该时刻相应的流体阻力幅值并反馈给 ABAQUS 主程序作下一步结构分析,达到模拟流体和结构相互作用的效果5。与传统 CFD 方法相比,本方法省略了耗时较多的流场分析,计算量和计算效率能得到显著优化。4)冲击荷载。以幅值的方式加载矩形冲击荷载,作用位置为管体跨中处。冲击荷载作用时程图如图 4所示。图 4 冲击荷载作用时程图Fig.4 Time-history of impact force悬浮隧道在冲击荷载作用下考虑
21、锚索松弛效应的动力响应数值模拟分析流程图如图 5 所示。2 计算结果与分析2.1 锚索索力冲击荷载作用点处锚索索力时程曲线及各锚索最小索力分布如图 6 和图 7 所示。5371隧道建设(中英文)第 43 卷 t 为时间;T 为计算总时间;t 为时间增量。图 5 悬浮隧道冲击动力响应分析流程图Fig.5 Process for dynamic response analysis of SFT图 6 冲击点锚索索力时程曲线Fig.6 Time-history curves of cable force at impact point图 7 冲击荷载作用下各锚索最小索力分布Fig.7 Minimum
22、 cable forces of each anchor cable under impact load由图 6 可知:在冲击荷载作用下,考虑松弛的悬浮隧道锚索多次出现索力为 0 的情况,表明锚索会呈现交替的松弛与张紧状态;锚索最大索力通常出现在冲击荷载作用后的第 1 个振动周期内,考虑松弛和不考虑松弛时的锚索最大索力分别为 1.02108 N 和0.95108 N,增幅为 7.09%。根据计算,最大应力分别为 1.004103 MPa 和 1.078103 MPa,尽管尚未达到锚索极限抗拉强度,但松弛现象会导致锚索冲击张力增大,对结构安全不利。由图 7 可知,冲击荷载使得作用点附近 5 对锚
23、索产生松弛现象,而远离冲击荷载作用点处锚索虽未松弛,但索力仍存在一定幅度的变化,表明冲击荷载对悬浮隧道的影响范围较大。2.2 管体位移锚索松弛会导致其对管体的支撑作用消失。冲击荷载作用点处的管体位移时程曲线及位移最大时刻管体变形曲线如图 8 和图 9 所示。图 8 冲击点管体位移时程曲线Fig.8 Tube displacement time-history curves at impact point图 9 冲击点位移最大时刻管体变形曲线图Fig.9Deformation curves of tube at the moment of maximum impact displacement由
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