懸浮隧道整體結構行為機理試驗研究3：實踐

周卓煒 ，尹海卿 ，林巍

（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.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032；4.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

1 概述

作為一種新型水下交通結構形式，懸浮隧道相比橋梁、沉管隧道、盾構隧道等具有不可取代的優勢[1-5]，在科學研究領域和工程技術領域受到廣泛關注。2018年7月中交港珠澳大橋島隧總部（簡稱“島隧總部”）在荷蘭訪問期間提出懸浮隧道整體物模試驗構想，9月11日完成六隧同池試驗方案，并于18日在中山聯合體開會討論。會后結合各方反饋，改為水池中只放1個隧道模型，并于9月22日提出設計方案。該方案在試驗籌備過程中由概念轉向詳細設計。

2018年10月到12月，天津水運工程科學研究院（簡稱“天科院”）研究團隊籌備完成機理試驗所需水動力環境，建成“懸浮隧道試驗水池”。同期，大連理工大學（簡稱“大工”）研究團隊完成模型研發工作，制作完成第一代懸浮隧道整體模型并運送至天津試驗水池。

2019年1月，模型在試驗水池中完成安裝。島隧總部、大工團隊、天科院團隊聚集到試驗水池邊，在現場按照可重復、可再現原則，對試驗物理量的同步測試、試驗數據智能化采集、數據存儲與數據安全等進行了密集和詳盡的討論。

2019年1月底，模型試驗工作首次開啟，隨即暫停，通過實踐發現了一些問題。2月對問題進行分析和討論。3月將問題逐個解決。4月島隧總部改變試驗策略，將最先進行的試驗定義為第一代試驗。第一代試驗解決的主要問題是怎樣做好試驗，即研究試驗本身。同時力爭在第一代試驗中獲得一些有價值的觀察和數據。第二代試驗目標定義為懸浮隧道結構行為機理研究，第三代研究工程。島隧總部要求聯合體成員在第一代試驗工作進行時，同步研究第二代試驗的設計和第三代試驗的試驗方法。并組建試驗團隊，由島隧總部、大工和天科院組成12人團隊，入駐天津試驗水池。4月底，第一代試驗重新開啟。5—8月，為研究結構自振周期和衰減特征開展水下錘擊試驗，為研究試驗方法開展波流試驗。

以此為背景，本文總結懸浮隧道整體結構行為機理第一代試驗研究在實踐過程中的發現。以下分別從模型研發、模型初始形態調節、測量系統的建立等方面進行介紹。

2 模型研發

懸浮隧道模型管段由棒芯、填充及配重材料組合而成。棒芯提供管體抗彎剛度，棒芯上安裝應變測試點，填充材料保證管體外形尺寸符合要求，配重材料嵌入填充材料中保證模型管體質量符合要求。

2.1 棒芯選擇

確定市場上常見的不同材質、不同型號的棒芯作為備選方案，開展棒芯比選試驗：選定一種特定橫截面尺寸及材料的棒芯，設計合理長度，并進行懸臂梁靜力加載撓度測試和動力擾動固有頻率測試[6]，兩種方法得到的結果可分別計算棒芯彈性模量，因此該測試也被稱為靜動彈模測試。測試獲得的彈性模量用于計算棒芯抗彎剛度，并與設計值對比，如不符合要求則重新選擇。懸臂梁撓度和固有頻率與抗彎剛度EI的關系如下：

式中：w為棒芯測試段（懸臂）最大撓度；F為懸臂端加載外力；l為懸臂長度；EI為棒芯抗彎剛度；m為測試段每延米質量；f為測試段固有頻率。

懸浮隧道管體模型需要設置分段，為保證分段連接處管段力學特性不因分段而改變，研發了等剛度接頭裝置確保模型管體抗彎特性不變。等剛度接頭的構造根據計算進行初步設計，開展對比試驗：找2根同等長度的鋼棒芯，其中1根中間截斷，并用等剛接頭連接，將2根鋼棒芯開展靜動彈模試驗（圖1）。根據試驗測試結果優化接頭裝置，直至帶接頭的棒芯和不帶接頭的棒芯的測量彈模差異在一定誤差范圍內。

圖1 棒芯測試配置Fig.1 Model test configuration

2.2 應變片安裝

棒芯的應變采集與分析系統采用動態測量電阻式應變片。應變片若發生浸水將影響其工作性能，故設置雙重防水措施：應變片安裝位置涂抹玻璃膠，并采用防水膠帶包裹密實。應變片布設數量越多，能捕捉到的模型管體運動響應越多。然而，過多的應變片數量將導致供電線及數據線（“導線”）長達千米，這些導線緊貼棒芯布置（圖2），最終被填充材料完全包覆。導線質量較大，對管體總質量影響無法忽略，且大量導線會導致信號相互干擾。實踐中選用優質導線，預先稱重統計重量影響，在配重設計中予以扣除；導線沿管體均勻排布，從管體兩端穿出。

圖2 應變片導線布置Fig.2 Wire arrangement of strain gauges

2.3 填充材料測試

通過比選多種泡沫塑料，最終選擇聚苯乙烯泡沫塑料作為填充材料。隨機抽選3塊泡沫塑料板經72 h水下淹沒檢測，去除表面水體后平均增重＜0.2%；隨機抽選2塊泡沫塑料板進行尺寸測量及質量稱重，實測泡沫塑料密度為33.5 kg/m3。泡沫塑料的吸水率及密度均影響懸浮隧道模型總體質量，進而影響配重材料用量。

2.4 配重材料

配重材料選擇為與棒芯同等材質的不銹鋼。配重材料用量根據模型規定的總質量扣除填充材料、導線及其他所有模型附屬構件質量后計算得到。采用細窄配重環間斷套在填充材料上進行配重材料安裝，配重環在懸浮隧道模型管體軸線上長度盡可能小來降低對管體抗彎剛度的影響。配重環通過切割機加工成標準尺寸，對每塊配重環進行稱重及尺寸測量，當單塊配重環不滿足精度要求時，進行手工打磨。

2.5 模型檢測

棒芯、泡沫塑料、配重環通過粘接膠拼接成懸浮隧道管體模型（圖3）。對模型開展幾何尺寸測量、重量測量以及抗彎剛度測量從而檢測模型的加工制造精度。

圖3 拼接模型Fig.3 Model assembly

幾何尺寸測量采用皮尺和卡尺測量管體的縱向長度和橫斷面直徑，確保符合設計要求。重量測量采用兩種方式，第一種方式為直接測量模型各分段重量再求和；第二種方式為，將模型置于水中，在浮力作用下模型將上浮，通過模型浮出水面高度以及模型外形尺寸（轉換為浮力）反求模型重量?？箯潉偠葴y量方法為將拼裝好的模型管段在懸臂條件下測量撓度以及自振頻率，進而反算抗彎剛度，測量值與設計值對比，確保符合設計要求[7]。模型分段制作完成后運往天津試驗現場進行最后組裝，組裝完成后在現場進行最終測試。

2.6 纜索制備

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、緊繩器。彈簧提供纜索剛度，彈簧剛度根據設計原型纜索的受力變形曲線（圖4），通過彈性相似縮尺后計算模型纜索受力變形曲線[8]，并在曲線上近似區可能的受力點的切線線性剛度。不同水深條件下原型纜索長度不同，彈性剛度不同，因而模擬不同水深條件時需要制備不同型號的彈簧。

圖4 原型設計鋼纜受力變形曲線Fig.4 Prototype designed steel cable stress-deformation curve

2.7 軸力施加裝置

在端部臺座上固定布置水下油壓千斤頂，在棒芯端部焊接鋼擋板，油壓千斤頂推動鋼擋板施加軸向力，由支座提供反力，從而對懸浮隧道模型棒芯提供軸向拉力（圖5）。實踐中控制千斤頂的油壓調節其拉力，通過連續測試建立油壓與拉力的對應關系，實現拉力快速而準確的施加。油壓千斤頂壓力難以保持穩定，尤其在油壓過大時，容易出現千斤頂漏油泄壓，導致軸力施加不足。解決方案是在油壓千斤頂軸力施加后，對棒芯限位，保證軸力在一段時間內不變，并對油壓千斤頂增設穩壓器，進一步提高其穩定性。

圖5 軸力施加裝置圖示Fig.5 Axial force application device

3 模型初始形態調節

懸浮隧道模型管體兩端連接臺座，管體置于臨時支架上，水池灌水后，模型獲得浮力，將支架撤走或者放低，讓懸浮隧道模型真正得以懸浮。在無水狀態下，根據設計要求調整纜索拉力，使得索力平衡管體凈浮力。理論上，只要模型凈浮力控制精確，灌水后撤去臨時支架，纜索初張力不會發生改變。然而實際操作時，當注水到一定高度且管體與臨時支架脫開后，管體總會發生一定程度的下撓或上拱，纜索初張力也對應呈現出整體偏低或偏高的趨勢。為此，模型管體完全淹沒，撤去臨時支座后，需對纜力進行第二次調節，通過纜力來判斷模型初始形態是否滿足試驗預設要求。

管體有8個系纜斷面，每個系纜斷面上有4根纜索，共計32道纜索。試驗模型為超靜定結構體系，調節一根纜的纜力將改變斷面上其它纜的纜力，調節一個斷面的纜力將改變其它斷面的纜力。實踐中纜力調節方法為：首先，根據已完全起浮的懸浮隧道模型的所有纜力讀數估算纜力豎向分力之和，該數值也即纜索實際承受模型凈浮力；然后，根據斷面錨線豎向力分配原則，將實際凈浮力平均分配到每根錨線上；最后，至少2位試驗人員下水，從懸浮隧道模型的一頭走向另一頭，對每個斷面依次進行左右對稱調節，調節過程中需要注意盡可能避免引起水體擾動，干擾纜力測量。

4 測量系統的建立

懸浮隧道結構行為機理試驗使用到的測量儀器眾多，環境水動力方面有15個波壓儀、8個流速儀、10個流量計，結構響應方面有80個應變片、32個纜力計、8個加速度儀、8臺攝像機、5臺位移姿態觀測儀等，以上數字未包括備用儀器。每種試驗測量傳感器對應相關測量采集系統，每套測量采集系統包含：測量元件（即測量傳感器）、數據采集卡、數據采集電腦。測量數據由測量元件進入數據采集卡，經過數據采集卡處理后各自傳入對應的數據采集電腦，再經局域網同步傳輸至數據存儲服務器，經智能化判斷系統篩選后存入正式數據庫。正式數據庫與異地備份服務器相連，保證數據存儲安全。

4.1 測量儀器檢驗

機理試驗采用的測量儀器種類多，有直接從廠商購置的產品，也有試驗單位自主研發的儀器。為保證測量結果可靠，需要了解儀器的實際應用測量精度，因而對所有儀器制定檢測方法，并在必要時將儀器送到專業機構進行第三方檢驗。測量儀器只有通過檢驗并證明自身的工作精度滿足要求后，再用于試驗。試驗前，需對測量儀器進行精度校核，確認儀器可正常工作。

4.2 測量系統物理同步及智能化采集

如果各類測量元件不在同一時刻進行數據采集，各類物理量同時、同步性的橫向比較將失真，不利于試驗數據處理及試驗規律的發現。多測量采集系統不同物理量的同步測量需解決：1）數據采集同步開啟，保證各系統的起始采集時刻處于同一刻；2）記錄時鐘一致，保證數據存儲時，各系統記錄數據時間軸的同軸；3）數據傳輸同步，所有測量數據同步寫入數據庫。

硬件上，建立萬兆級光纖局域網，配備高性能數據交換機，配備高性能中控服務器，將各類測量系統控制電腦及中控服務器接入到局域網中，通過數據交換機進行交互。

軟件上，中控服務器上配置同步測量控制軟件，各類測量系統控制電腦上配置各類測量控制軟件以及交互接口軟件，中控服務器通過局域網同時向各類測量系統控制電腦上的交互接口軟件發送控制指令，從而實現各類測量系統的同步開啟或停止。

機理試驗產生的數據量大，僅靠人工進行判斷并控制數據存儲的啟停，容易造成部分特征數據丟失或者無效數據采集過多，前者會導致試驗結果失真，后者可能會造成懸浮隧道試驗數據存儲庫過載，兩者均不利于懸浮隧道試驗最終成果的提取，甚至可能導致試驗失敗。因而需要建立智能化采集系統。

智能化判斷系統通過監測外部環境條件，如水流流速、流量、波浪等，控制整個數據存儲系統的啟停，當外部環境條件達到人為設定的閾值時，智能化判斷系統做出判斷，測量系統開始記錄并存儲試驗數據（圖6）。當存儲的數據到達量值要求，或外部環境條件變化達到人為設定的另一閾值后，停止數據存儲，并停止水動力環境的施加。簡言之，開啟和停止一次試驗過程均是預先設定、再由系統自動執行，最大程度地避免人為因素產生的風險。

圖6 智能化采集示意Fig.6 Illustration of collecting intellectual data

測量系統的物理同步與智能化采集是實現試驗數據精準控制與試驗結果可重復的必備條件。

4.3 數據存儲及安全

為保證數據傳輸安全可靠，建立了數據傳輸系統。為保證各類測量系統之間獨立工作且各自采集的數據不發生沖突和干擾，每類物理量測量系統配備相應的專用測量控制軟件及獨立電腦；為保證大量數據實時有效傳輸，建立萬兆級光纖數據傳輸局域網；為保證各數據庫運行時不相互干擾，對不同數據庫（臨時數據庫、正式數據庫、永久數據庫）均配備獨立專用高性能服務器；為方便現場試驗人員查看試驗情況，配備視頻輸出矩陣，并在試驗控制室內布置9塊高清顯示屏，分類顯示不同試驗監測數據；配備專用VPN單向數據輸出設備，方便試驗數據通過互聯網向異地進行數據備份并顯示試驗現場的視頻流，通過單向傳輸模式保證試驗現場不易受網絡的攻擊。

綜上，建立數據安全存儲系統的目的可總結為：保證試驗數據安全可靠、保證試驗數據傳輸高效，降低大量試驗數據堆積不及時分析的風險，降低試驗數據丟失風險，為實現同步采集系統和智能判斷系統提供基礎支撐。

5 經驗與總結

部分問題的改良方法：

1）錨固系統兩次更替。第1次是因為錨線采用了尼龍線，尼龍線自身及其連接件隨時間發生不斷松弛，且難以收斂，改換鋼絲線；第2次更換是由于錨固系統與水池地面連接的強度不足，重新布設抗拔力更高的導軌及滑塊。

2）腐蝕問題。模型管體研發時考慮了防腐蝕的措施：棒芯和配重環均采用不銹鋼材質。然而錨固系統中的各類構件，如纜索上連接各構件的扣環、彈簧、底部滑軌等均未做防腐蝕處理，試驗過程中，各構件迅速腐蝕。改進措施是將纜索上所有構件更換為不銹鋼材料，對底部滑軌進行加固和噴漆處理。

3）試驗工序。首次水動力試驗時，試驗人員未遵循設計人員要求的試驗工序，且低估了單向波浪對模型管體的不利影響，在大波浪工況下模型管體第1次試驗遇見共振，運動幅值極大，導致模型附屬構件破損。并且，造波板也局部受損。

4）單點激振試驗裝置。首次敲擊試驗，水平向用木樁敲擊，豎向用雙錘錘擊，以期獲取結構固有頻率和振動衰減特征，水下敲擊因人而異，敲擊力不易控制。設計人員希望通過定量敲擊來剝離隱藏在結構固有頻率內的結構剛度信息，試驗人員開發了機械敲擊裝置。結果發現，模型管體受到敲擊后的響應表現出的是高階響應模態，低階響應模態較難被激發。可能的原因為敲擊提供的能量主要為局部能量，模型管段為柔性體。后又提出拉線-快速脫鉤裝置、循環簡諧加載裝置等構想，該部分參考本系列文章試驗研究4。

5）實踐中發現懸浮隧道整體結構行為機理試驗本身存在許多值得研究的問題，因而將最早做的試驗工作稱為第一代模型試驗。第二代試驗的設計總結了第一代實踐的經驗和教訓與聯合體智慧。島隧總部將第二代機理試驗作為正式試驗。