悬浮隧道结构设计分析与健康监测

论文摘要

随着当今社会交通的日益繁忙,地域之间的连接显得尤为重要,一些跨河跨海的大跨水域的沟通建设成为世界发展的必需,如何利用有限的资源,建造出符合社会发展要求和可持续发展观的基础设施是21世纪土木工程人员面临的核心问题。悬浮隧道是一种悬浮在水中利用浮力承载的新型结构,由于具有对周围的环境影响小、全天侯工作、布线方便及跨越深水时的经济性等优点,悬浮隧道为大跨水域的交通建设提供了新的交通方式。本文以千岛湖悬浮隧道方案为背景,对悬浮隧道进行了静、动力分析,借鉴现有水工及桥梁工程的设计经验、规范及健康监测系统研究,对悬浮隧道的设计分析进行了初步研究,探索建立了悬浮隧道健康监测系统的框架及评估指标体系,初步编制了悬浮隧道的监测与养护指南。具体展开的工作有：（1）借鉴现有沉管隧道、海洋钻井平台及桥梁隧道工程的设计经验和规范标准,结合悬浮隧道的结构特点,对悬浮隧道的荷载及其组合、设计应考虑的四种极限状态、管道形式的选择、管段间防水防腐、锚索的布置形式、基础形式、通风系统、照明系统、给排水系统及消防系统、结构设计分析方法等设计的关键技术进行了探索和研究。（2）结合Morison方程,提出采用沿隧道由底到顶的分层积分方法计算悬浮隧道水平和竖直波浪力,探索了直径、放置深度、波浪周期等参数对波浪力的影响；比较了采用线性波和二阶Stokes非线性波两种波浪理论计算波浪力的误差；最后对悬浮隧道波浪力进行了谱分析。（3）根据悬浮隧道的结构特点及千岛湖悬浮隧道的环境条件,对其进行结构静、动力分析,计算了各种荷载作用组合状态下管道各层材料的应力、管道变形和锚索索力,研究了其在波浪作用下的动力响应,对其安全性进行了评价。（4）提出了锚索在流作用下的涡激非线性振动的微分方程,采用伽辽金法处理后的龙格-库塔法进行数值求解。分析研究了千岛湖悬浮隧道锚索动力响应,并推导计算了锚索索力与其振动频率的关系,提出了采用“频率法”监测悬浮隧道锚索索力的方法。（5）在对千岛湖悬浮隧道结构分析的基础上,结合其环境条件,对悬浮隧道健康监测系统框架进行概念设计,最后提出了悬浮隧道的运营和监测设计指南。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图清单
• 列表清单
• 符号对照表
• 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 悬浮隧道研究现状
• 1.3.1 可行性研究及风险评估
• 1.3.2 波流荷载研究
• 1.3.3 涡激动力研究
• 1.3.4 地震响应研究
• 1.3.5 其他方面研究
• 1.4 本文主要的研究工作
• 1.4.1 研究思路
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 技术路线
• 本章参考文献
• 2 悬浮隧道设计研究
• 2.1 悬浮隧道总体设计
• 2.1.1 悬浮隧道设计原则
• 2.1.2 设计的主要工作内容
• 2.1.3 悬浮隧道设计流程
• 2.1.4 悬浮隧道整体优化设计
• 2.2 悬浮隧道的荷载及组合
• 2.3 悬浮隧道管道细部设计
• 2.3.1 管道形式的选择
• 2.3.2 悬浮隧道管段防水防腐设计
• 2.3.3 管段接头设计
• 2.4 悬浮隧道锚索设计
• 2.4.1 锚索种类及布置形式
• 2.4.2 锚索强度
• 2.4.3 锚索防腐设计
• 2.4.4 锚索减振设计
• 2.5 悬浮隧道基础设计
• 2.5.1 基础形式研究
• 2.5.2 基础作用荷载
• 2.5.3 桩基础承载力计算
• 2.6 附属设施设计
• 2.6.1 通风系统设计
• 2.6.2 照明系统设计
• 2.6.3 给排水、消防系统设计
• 2.7 设计的分析方法
• 2.7.1 静力分析
• 2.7.2 动力分析
• 2.7.3 地震响应分析
• 2.8 本章小结
• 本章参考文献
• 3 悬浮隧道波浪荷载研究
• 3.1 概述
• 3.2 波浪理论
• 3.2.1 波浪要素
• 3.2.2 线性波浪理论
• 3.2.3 非线性波浪理论
• 3.3 设计波法计算波浪荷载
• 3.3.1 计算模型
• 3.3.2 Morison方程
• 3.3.3 悬浮隧道波浪力的计算
• 3.4 设计波谱计算波浪荷载
• 3.4.1 随机波浪的描述
• 3.4.2 几种波能谱公式
• 3.4.3 Morison方程波力谱
• 3.4.4 悬浮隧道力谱分析
• 3.5 本章小结
• 本章参考文献
• 4 千岛湖悬浮隧道受力行为分析
• 4.1 工程概述
• 4.1.1 自然环境条件
• 4.1.2 初步设计方案
• 4.2 作用荷载极其组合
• 4.3 梁单元模型分析
• 4.3.1 荷载分担比计算
• 4.3.2 有限元模型建立
• 4.3.3 恒载作用分析
• 4.3.4 波流荷载分析
• 4.4 分层板壳单元模型分析
• 4.4.1 有限元模型
• 4.4.2 变形分析
• 4.4.3 应力分析
• 4.4.4 索力分析
• 4.5 动力分析
• 4.5.1 动力分析基本原理
• 4.5.2 模态分析
• 4.5.3 频谱分析
• 4.6 本章小结
• 本章参考文献
• 5 悬浮隧道锚索动力分析
• 5.1 概述
• 5.2 悬浮隧道锚索振动方程
• 5.2.1 计算模型和基本假设
• 5.2.2 振动微分方程
• 5.2.3 边界条件
• 5.3 方程的求解
• 5.3.1 加辽金法转换
• 5.3.2 龙格-库塔求解
• 5.4 实例分析
• 5.4.1 均匀流作用下振动响应
• 5.4.2 索力-频率关系
• 5.4.3 第二种边界条件下锚索的振动
• 5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 6 悬浮隧道健康监测概念设计
• 6.1 概述
• 6.2 健康监测系统组成
• 6.2.1 健康监测目标及内涵
• 6.2.2 监测参数和传感器布置
• 6.2.3 数据的采集、传输与存储
• 6.3 损伤预警
• 6.3.1 损伤诊断
• 6.3.2 预警控制
• 6.4 健康状态评估
• 6.4.1 评估的基本流程
• 6.4.2 评估指标体系
• 6.4.3 模糊层次评估
• 6.4.5 评估算例
• 6.5 本章小结
• 本章参考文献
• 7 悬浮隧道运营与监测设计指南
• 7.1 总则
• 7.2 术语
• 7.3 健康监测系统组成和设计
• 7.3.1 设计原则
• 7.3.2 设计步骤
• 7.3.3 系统组成
• 7.3.4 传感器子系统
• 7.3.5 数据采集与传输子系统
• 7.3.6 数据处理与分析子系统
• 7.3.7 结构健康评估控制子系统
• 7.4 参数化建模与模型修正
• 7.4.1 悬浮隧道作用荷载
• 7.4.2 结构有限元分析
• 7.5 传感器系统及运营安全设施
• 7.6 评估系统
• 7.6.1 评估流程
• 7.6.2 指标体系
• 7.6.3 评估方法的选择
• 7.6.4 健康监测报告
• 7.7 运营期风险分析
• 7.7.1 运营期风险分析的必要性
• 7.7.2 运营期风险分析的流程
• 7.7.3 运营期风险分析的层次划分
• 7.8 本章小结
• 本章参考文献
• 8 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 本文主要创新点
• 8.3 值得进一步研究的问题
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果