懸浮隧道整體結構行為機理試驗研究2：詳細設計

周卓煒 ，林巍 ，尹海卿

（1.中交懸浮隧道結構與設計方法研究攻關組，廣東 珠海 519000；2.大連理工大學，遼寧 大連 116024；3.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088；4.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032）

1 概述

作為一種新型水下交通結構形式[1-4]，懸浮隧道通常被認為具有可跨越深廣水域、對自然環境影響小、建造地點選擇自由、交通工程設計靈活、通行時間短、縱坡小等優勢[5-6]，并受到廣泛關注。

當前研究懸浮隧道的方法主要為數學模型[7]和二維物理模型[8]，為獲得懸浮隧道整體結構在水中的響應，需要開展懸浮隧道整體結構行為機理試驗。物理模型試驗通常需要依照特定的原型實物，按照選定的縮尺比，進行模型制作與試驗開展，然而現今并沒有可供懸浮隧道整體結構行為機理試驗（以下簡稱“機理試驗”）參考的實際懸浮隧道原型。

本文主要介紹試驗詳細設計工作，包括比尺與相似、懸浮隧道模型設計、環境激勵條件和測量手段。

2 比尺與相似

模型相對原型的縮尺比（模型比尺）影響模型的外形尺寸。比尺的選擇需要綜合考慮原型懸浮隧道尺寸及試驗水池尺寸條件。選擇大比尺，模型試驗結果更接近原型，然而需要試驗水池提供充分的布置空間以及試驗動力環境；選擇小比尺，對試驗水池條件要求較低，然而尺度效應影響顯著[9]，模型試驗結果偏離原型，甚至可能導致試驗失敗。機理試驗比尺選擇1∶50，天津擬建設的懸浮隧道試驗水池有效尺寸為30 m×50 m×2 m，可布置的懸浮隧道基準模型長24 m，對應隧道原型長1.2 km。

由于懸浮隧道跨度通常較大，其模型需設計成彈性體，為模擬包含沿程約束和接岸接頭整體結構體系響應規律，試驗主要考慮的模型相似律為重力相似律及彈性相似律。兩者在水環境中的相似關系見表1[10]。

表1 機理試驗采用的相似關系表Table1 Similarity relation table used in mechanism test

為使懸浮隧道模型同時滿足重力相似和彈性相似，要求模型密度比尺與水環境密度比尺一致，即λρs=1，同時λE=λ，才能保證作用力比尺一致。這對模型的選材有特殊要求，模型隧道建造材料的彈性模量與原型材料彈性模型需要滿足一倍長度比尺關系，這給模型制作帶來困難。對于懸浮隧道，可以認為在隧道軸向上運動不明顯，可以忽略，從而，彈性相似條件可以簡化為抗彎剛度相似，即需要通過構造搭配設計，使得懸浮隧道模型的抗彎剛度與原型的抗彎剛度滿足相似律λEI=λ5。

3 懸浮隧道模型設計

3.1 管體詳細設計

懸浮隧道管體采用棒芯-填充材料-配重的組合結構進行模擬，忽略懸浮隧道內部質量分布對整體結構響應的影響，模型質量考慮為均勻分布。棒芯模擬抗彎剛度相似，填充材料模擬外形尺寸相似，配重材料模擬重量相似。

棒芯材質經多種材料比選，選擇不銹鋼。因為機理試驗工況多，模型浸沒在水中持續時間可達數月，選擇不銹鋼棒芯可以避免腐蝕風險；此外，不銹鋼棒芯表面易打磨，利于安裝應變測量傳感器。

填充材料經多種比選，選擇高密度聚苯乙烯泡沫塑料。該材料有不易變形、易于切割、吸水率低、彈性模量小的優點，保證填充材料變形引起的水流力變化、吸水引起凈浮力變化可忽略，對模型管體抗彎剛度的增加也可忽略。

配重材質亦選用不銹鋼，可能保證長時間放置在水下環境中不發生腐蝕。配重材料加工成環狀小塊，間斷嵌入填充材料的靠外側。該設置方便拼裝，且扭轉慣性質量較接近原型縮尺后的慣性力比尺律，同時間斷分布減少對模型管體抗彎剛度影響。

錨索式懸浮隧道模型管體每間隔一段距離需布置系纜斷面，系纜鋼環的壁厚需要增加，配重環寬度也要加長進而增大與泡沫有效接觸面積。設置傳力構造將系纜配重環受到的纜力傳遞到棒芯上，避免擠壓填充材料。模型節段組成如圖1所示。

圖1 模型節段組成Fig.1 Components of SFT model segments

管體分段。懸浮隧道模型管體設計有效長度24 m，棒芯總長27 m，如果加工成整體，則棒芯精度低、成本高且不利搬運。因而將管體分為多個節段。標準節段長6 m，方便運輸。分段后，單節段由節段棒芯、發泡塑料填充材料和配重環拼接而成。不同節段之間采用特制等剛度機械連接器連接（圖2），保證連接后棒芯剛度不變；連接器設置正反絲扣，保證安裝過程中棒芯軸線不發生錯位；連接器兩端加裝鎖緊裝置，保證試驗過程不發生松動。

圖2 分段管體特制機械連接器Fig.2 Special-designed mechanical connector for segments of SFT model

包覆材料。節段拼接完成形成懸浮隧道的管體模型，出于模型美觀及保護填充材料不受浸水影響的考慮，選擇合理的包覆材料將模型整個包裹起來。外包層包覆材料需要選擇厚度小、質量低、耐腐蝕以及水密性能良好的材料。

模型有效長度24 m，兩端各額外伸出約1.5 m長鋼棒芯與端部約束機構連接以及端部臺座連接（圖 3）。

圖3 端部臺座及約束裝置Fig.3 End pedestal and restraint device

3.2 支撐系統

懸浮隧道模型從加工到試驗場地定位和起浮用到3個支座，分別是模型加工臺、管體臨時支架、端部臺座。

管體模型總重超過1 t，跨度27 m，特制懸浮隧道管體模型加工臺，輔助模型固定與安裝。模型加工臺水平高度通過水準儀精調，加工臺上設置定位裝置，確保模型管體加工精度可控。

懸浮隧道模型借助水的浮力才能起浮，由于模型跨度較長，安裝過程中，若僅靠兩端支撐，模型將發生坍塌，造成模型損壞。故沿模型軸線布置臨時支架。除支撐模型管體外，臨時支架還能精確定位模型預設安裝位置，保證模型現在安裝精度可控。臨時支架在豎向可通過套筒構造伸縮，確保注水后可方便模型與支架的脫離措施。支架盡量做成高剛度、高透水、邊緣流線型的構造，進而最小化支架對水池流場的干擾。

端部臺座上安裝端部約束裝置（含固接裝置、鉸接裝置以及軸力施加裝置）。理論上端部支座需要提供無限大的剛度和強度，保證不參與模型模態響應，從經濟合理性角度出發，設計并制作高剛度、高強度的端部臺座。懸浮隧道原型接岸接頭錨固方式最可能介于固結行為和鉸結行為之間，機理試驗不要求約束裝置能100%模擬固結和鉸結，只需近似模擬，并且能實現約束方式的快速轉換（圖3）。

3.3 錨固系統

模型纜索剛度基于原型和彈性相似比尺律換算得到。假設1.2 km長懸浮隧道每150 m平均有4根纜索，管體凈浮力由這些纜索均擔，不考慮其它環境荷載，根據凈浮力可求出每根纜索的初始張力。因實際工程受到環境荷載、疲勞效應、纜力不均、動力放大效應等的影響，考慮每根纜索安全系數為9，即是纜索最小破斷力需滿足初張力的9倍。基于該方法對應查找市場上常見纜索的規格，進而確定纜索直徑、重量和材質，并確定纜索剛度。模型的錨固系統與地面的連接需要做得足夠強，保證試驗過程中不破壞。

纜索形式采用無伸長繩（受力伸長量極低）串聯了彈簧、拉力計和緊繩器（圖4）。拉力計動態監測纜力。緊繩器細調纜索長度，進而可以調整纜索初始張力，彈簧提供纜索剛度，無伸長繩保證纜索形態，且不影響纜索整體剛度。

圖4 錨索組成及錨固斷面形式Fig.4 Cable composition and anchorage section form

4 測量

懸浮隧道模型水下測量系統包括運動姿態測量（觀測管體實時運動位移）、加速度測量、纜力測量、應變測量、棒芯伸長量測量與水下攝像。

4.1 運動姿態測量

運動姿態的直接測量方法可考慮電磁式點運動量監測系統和水下攝像式運動量監測系統等。電磁式點運動量監測系統在水下的監測性能需要驗證，且受模型鋼質材料影響大。水下攝像式運動量監測系統通過在模型管體上設置觀測點并用水下相機捕捉觀測點。

運動姿態間接測量方法作為直接法的驗證或備選手段，比選了水上攝像式運動量監測系統、加速度間接測量法、纜力間接測量法和應變間接測量法。

1）水上攝像式運動量監測系統通過在模型管體上安裝輕質高強測量桿，將觀測點布置到水面以上，利用水上測點觀測結果反算到管體運動。該方法簡便可行，缺點是測量精度受日光變化、水面反射光等影響。測量架需要兼顧剛度和透水性，前者影響測量結果轉化精度，后者干擾水動力場。

2）加速度間接測量法通過測量懸浮隧道模型管體特征點的加速度時程，并通過積分運算反算求得模型關鍵點的運動姿態。由于加速度是位移對時間的二階導數，因此加速度反算運動姿態需要正確的初始位移、速度和加速度，其反算結果也需要被驗證。

4）應變量反算運動姿態方法是指通過試驗監測得到各點應變值，反算出各點的撓度變化，進而獲得模型管段的位移姿態。然而，該方法所基于的理論假定是應變片在管體長度方向上的分布是連續的，需要大量應變片才能推測出管體姿態，大量應變片的使用會給模型制作帶來困難。

綜合考慮可實施性與技術可行性，推薦選擇水上攝像式運動量監測系統和纜力間接測量法組合并相互驗證的方法對運動姿態進行監控。水上攝像式運動量監測系統可以快速直觀監測管體運動量，而纜力間接測量法可以獲取更為精細的管體運動量信息。

4.2 加速度測量

加速度測量采用加速度轉角儀，測得管體的三維水平、豎向平動加速度和三向轉角加速度。由于懸浮隧道模型管體跨度較長，單點加速度測量結果難以反映管體的整體加速度變化規律，沿管體軸線布置多個加速度測量點。

前文已述模型管體由棒芯、填充材料及配重材料組成，理想的安裝位置為模型中心。然而第一輪試驗時出于安裝方便的考慮，僅在模型管體頂部布置測點，且與系纜斷面同隧道軸線里程。進而導致測量得到的管體加速度數據不能直接反應模型管段軸線上的加速度變化。

要求測量加速度儀器試驗前每隔一段時間通過專業機構進行標定，并提供標定報告及數據。

4.3 纜力測量

纜力測量通過纜索上設置的纜力計實現（圖4）。為調節纜索初拉力，每根纜索均布置拉力計。試驗過程中纜力是動態變化的，開始前需對拉力計進行動態標定，確定測量精度。試驗過程中監測纜力大小，超出預警值時需要停止試驗，重新調節纜力或查找原因。

4.4 應變測量

應變測量采用應力分析電阻應變計（應變片）測量應變值。懸浮隧道模型管體抗彎剛度主要由鋼質棒芯提供，在棒芯上合理布置應變測點數量，盡可能多地捕捉管體應變狀態，應變布置應當滿足動態應變測量要求，設置合理的防水措施滿足水下測量要求。由結構分析可知，懸浮隧道模型管體的兩端和中部截面是受力關鍵截面，需要重點觀測應變變化值。

首先對社會隔離、生存質量和經濟狀況進行描述性分析和Pearson相關分析。如表1所示。社會隔離均值為(1.578±0.598)分，生存質量、經濟狀況均值分別為(3.894±0.514)分和(2.270±0.599)分。社會隔離與生存質量(r=-0.222，P<0.01)呈顯著負向相關性，與經濟狀況(r=-0.090，P<0.05)呈顯著負向相關性。生存質量和經濟狀況呈顯著正向相關性(r=0.183，P<0.01)。

4.5 棒芯測量

棒芯伸長量反應模型管體的軸向受拉狀況。管體接在兩端臺座和臨時支座上以后，在水池未灌水之時的試驗前后，用千分表測量模型棒芯的長度變化。懸浮隧道模型兩端各設置2套千分表，共4套。千分表測量結果中除了棒芯伸長量，還混合了支座自身變形、間隙合攏等信息，測量時需要通過合理選擇位置，盡量減小這部分干擾信息。

4.6 攝像系統

為提高水下攝像能見度，要求水池水質清澈見底，必要時縮短水下攝像距離；在模型管體的1/2（即跨中）位置和1/4位置各設2個固定攝像，分別觀測水平和豎向的變形；另設置1個移動攝像；并且，拍攝位置的模型管體外衣上需打印或貼上網格紙，有利于觀察。

4.7 測量分析信息

從測量值中需要得到以下信息，大致按從易到難可能實現的順序排列：水下影像、撓度極值、內力極值、加速度極值、纜力極值、纜力松弛監測、位移時程、加速度時程、纜力時程、結構體系自振頻率（包含其質量與剛度信息，以及周邊水體環境信息）、結構體系運動衰減特征（包含其阻尼信息，以及周邊水體環境信息）。

需檢查這些信息背后測量手段的魯棒性，采用不同測量手段進行相互驗證。

5 環境條件

環境條件主要為試驗水池提供的波浪和水流環境條件，需要的支撐系統主要包括造流系統、造波系統、流速率定與監控系統、波浪率定與監控系統，以及波流同時施加的控制方法。

5.1 造流系統與流速監測

造流系統采用循環水泵。流速范圍依據懸浮隧道環境水流流速上限，并結合水池可能的縮尺根據弗洛德相似比尺律換算得到。在模型安裝前，水池放滿水，在模型預裝位置處布置測流儀器，開啟造流，不斷調節水泵工作頻率，監測模型預裝處的斷面流速，當流速結果滿足預設指標時，記錄與之對應的水泵工作頻率。建立水泵工作頻率與模型預裝位置處的斷面流速一一對應關系，若造流設備性能較好，能達到重復性要求，則下次輸入相同循環水泵工作頻率即可得到預期流速。用這種方法，實現水流環境的可再現。多臺水泵同時工作時還需協調各水泵工作頻率來確保流速均勻。為了出水口的流態平穩，在出水口處設置導流設施，水池側壁也需要足夠光滑以作導流面。

流速監測需在同一過流斷面上布置多個測點，所有測點深度一致，且深度能代表水深方向流速均值。均勻流從開始造流到出現的時間可能較長，流速監測時間需要能覆蓋這個時間段。設定監測數據分析時間窗口，當分析時段內水流均速達到設定值，且脈動流速符合誤差控制要求時，判定達到預設水流條件。為了確保流速監測系統可靠性，對流量也同步監測，即采用流速流量雙控手段。既有水池造流水管直徑超過2 m，在每個循環水泵前端流場較穩定區設置流量計，通過流量計的讀數換算斷面總流量，并與流速監測結果的換算值相互驗證。

5.2 造波系統與波浪監測

造波系統設計的依據同樣來自懸浮隧道環境條件上限以及試驗場地可能的縮尺。控制造波板的運動幅值及運動速率，獲得指定波浪，造波板前波浪不穩定，波浪傳播一段距離后，波浪將逐漸趨于穩定，由此獲得特定的入射波浪；波浪傳播到試驗水池的另一端后，若無特殊處理，將發生反射，反射波浪將干擾試驗。當波浪加載歷時較長時，反射波還將傳播到造波板前發生二次反射。二次反射波既可能影響試驗區域，也可能產生更多n次反射波。

另外，試驗水池中兩側邊壁若不加處理，當造波系統或波浪傳播過程出現較小誤差時，將可能導致波浪部分傳遞到邊壁上，引起波浪在試驗水池側向上發生振蕩，從而影響試驗區波浪狀況。

因此，模型在試驗水池位置需要與造波板有一定距離，使得造波板造出的波浪傳遞到模型試驗區時已充分發展和穩定。試驗水池尾端及兩側邊壁需要一定的被動消波浪構造，盡可能降低波浪在試驗水池邊壁上發生反射影響試驗區域。如果在造波板處引入主動消浪措施，可消除二次反射波浪，進一步降低試驗水池邊界波浪反射對試驗目標波浪的影響。

有關波浪率定工作。在模型位置及其前方架設多個波浪監測點，監測波浪傳播方向的發展和演化，確定模型所處位置波浪是穩定的。為了監測單向波波峰線時程穩定性、其沿隧道長度方向均勻性，以及多向波波峰線長度，隧道長度方向布設多個測點。監測的時長根據波浪特性調整，規則波較短，不規則波稍長，但總體上都不宜過長，避免上述的波浪多次反射影響。對于監測結果的分析，應排除波浪傳播歷程中前幾個發展不穩定監測數據信息，對波高和波周期進行統計分析，對不規則波還進行頻譜分析，對多向不規則波還分析方向分布函數。類似水流的率定，在模型安裝前，建立造波機控制參數與模型預裝位置波參數的對應關系，方法依然是通過不斷調整造波機運動幅值及運動速率，直到模型位置處監測波浪結果與預設值匹配再做記錄。

5.3 波流作用

實際海洋環境中的波浪和水流同時存在，因而還需率定波流同存的水動力環境。有兩種方法，一種是先造流，測流量，滿足條件后，再在流上造浪，率定波浪；另一種是波流分別率定，再同時施加。第一種方式獲得的波浪水流條件明確，然而對造流系統的穩定性提出更高要求；第二種方式實現起來更方便，然而波流疊加效應使得其條件不明確。

6 結語

本文討論了懸浮隧道機理試驗采用的相似關系，明確試驗結果與實際工程的相關性。機理試驗需選擇合理模型比尺，將試驗結果反應到實際工程中。模型比尺確定后，確定模型的各項尺寸指標。懸浮隧道模型不同于一般海洋工程試驗模型，其特定的重力和彈性力相似要求，導致了模型設計的特殊性，通過采用棒芯-填充材料-配重的組合結構得以實現。為保證機理試驗成果可靠性，除制作高精度特殊模型外，還需保證測量手段和環境條件滿足相應要求，本文介紹了實踐前期及過程中不斷發展完善的詳細設計。

懸浮隧道整體模型試驗近150 a在懸浮隧道研究歷史上國內外無公開文獻，而機理試驗更是從未進行過。本文首次揭露機理試驗詳細設計內容，重點是模型制作與安裝、試驗物理量測量布置以及外部水動力環境加載等的具體實現過程，為機理試驗開展提供指導。