懸浮隧道縱向結構受力工程規律研究

劉凌鋒 ，劉曉東 ，林巍 ，劉傲祥 ，魏佳奇 ，3

（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.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088；3.大連理工大學，遼寧 大連 116024）

0 引言

懸浮隧道是懸浮于水面以下一定深度的管狀結構，主要構成部分包括隧道管段、接頭與錨固系統等[1]，其縱向結構則主要關心其線形、錨索布置等問題[2]。本文基于中交懸浮隧道結構設計與方法研究攻關組工作內容，對包括水平線形、管節剛度、接頭剛度、纜索剛度、基礎沉降以及纜索失效等懸浮隧道縱向結構相關工程參數開展研究，并對部分參數進行敏感性分析。

1 總述

本文分析采用有限元軟件ANSYS，并作如下假設：1）管體橫斷面沿縱向不變；2）兩端接岸接頭完全固結；3）不考慮中間接頭剛度變化，管節兩端固結；4）忽略錨索垂度；5）錨索不發生松弛；6）不考慮基礎與纜索耦合作用。

如無特殊說明，各章節研究算例及參數如表1所示。

表1 方法總述表Table 1 Summary of methods

2 水平線形

將平曲線形懸浮隧道響應結果除以直線的，得圖1。可見隨著平曲率半徑增大，管體扭矩減小（直線形懸浮隧道扭矩幾乎為0），水平彎矩及撓度總體呈線性增大并逐漸趨向于直線形懸浮隧道。

圖1 均布荷載作用下不同水平線形隧道管體的響應Fig.1 Tunnel tube responseof different planealignment under uniform loading

顯然，從抵抗水平荷載作用效應來看，圓曲線形比直線形懸浮隧道更優，且曲率半徑越小，抵抗水流作用能力越強，管體所受水平彎矩也越小。但同時由于曲率半徑減小時，管體所受扭矩增大，所以圓曲線形懸浮隧道的曲率半徑應在管體撓度、彎矩和扭轉的考量中取折中值。結合JTG D20—2017《公路路線設計規范》[3]，當車速為120 km/h時，圓曲線最小半徑取1 000 m。因此對于本算例，曲率半徑在1 000 m以上且撓度和彎矩不超過承載力及規范要求時較好。

3 管節剛度

懸浮隧道結構設計時，管體不同抗彎剛度EI對懸浮隧道體系受力和變形影響較大。通過改變彈性模量E，將EI增大為其初始值的2～4倍，研究同等水平和豎向均布靜力荷載作用下結構響應變化（見圖2）。發現：隨著管體彈模增大，管體撓度及纜索纜力線性減小，管體彎矩和剪力增大，且彎矩增加速率大于剪力增加的速率。原因易理解：管節剛度增大，隧道變剛，故撓度減小，而增大剛度的管體分擔更多荷載，纜索分擔荷載相應減小，故管體內力增大，纜索纜力變小。

圖2 不同彈模時管體撓度和內力變化趨勢圖Fig.2 Variation trend of tube deflection and internal force under different elastic modulus

4 接頭剛度

4.1 中間接頭剛度

懸浮隧道可能有中間接頭。通過在接頭部位設置3個平動、3個轉動共6自由度對應的6個彈簧模擬特殊接頭剛度。將管體軸向剛度EA、抗彎剛度EI作為基準剛度，中間接頭6個自由度的約束的彈簧剛度分別取為以上的0.001、0.005、0.01、0.05、0.2、0.4、0.6、0.8、1、2 及 10 倍。發現：隨著中間接頭剛度增大，管體撓度減小，內力增大，且水平響應比豎向更敏感。圖3為管體撓度隨中間接頭剛度變化的曲線，當中間接頭剛度達到基準剛度0.2倍左右時，管體撓度和內力趨于穩定。該發現在接頭剛度設計取值時值得考慮。

圖3 管體撓度隨中間接頭剛度變化規律Fig.3 Variation of tube deflection with stiffnessof segmental joint

4.2 接岸接頭剛度

懸浮隧道接岸接頭是管體與岸邊的接頭，通過假設不同的接頭剛度組合，研究發現規律與中間接頭相同。

5 纜索剛度

5.1 剛度整體升降

拉錨式懸浮隧道設計時，改變纜索的彈性模量、截面面積、錨固間距或纜索夾角，將引起錨固系統整體剛度的變化。為研究錨固系統剛度整體升降如何影響懸浮隧道體系的受力狀態，固定其他參數不變，進行如下單因素變化分析：

1）假定纜索間距從50 m、100 m、150 m、200 m發生變化，在凈浮力和水流力作用下，研究隧道體系的響應變化；

基于以上種種情況，高職院校培養的畢業生中，有不少人學業不精、業務不熟、做事浮躁。而用人單位所急需的是來則能戰、戰則能勝，專業知識熟記于心、業務嫻熟干練、溝通能力強的財務人員。高職院校培養的畢業生依然走不出“三三制”的怪圈：三分之一畢業即失業、三分之一能找到工作、三分之一能找到會計工作(即使找到會計工作的，也大多數是最基礎的收銀員、出納員之類)。據有關數據顯示，目前我國持有會計從業資格證書人數約1600萬人，其中，正在從事或曾經從事會計工作的約72%，沒有從事會計工作的約占28%。

2）固定其他參數不變，假定斜纜與豎直線夾角 α 從 15°、30°、45°、60°發生變化，在凈浮力和水流力作用下，研究隧道體系的響應變化。

結果見表2。

表2 纜索間距和夾角變化對結構響應影響的敏感系數表Table2 Sensitivity coefficient of cable spacing and cable angle changes to structureresponse

可見：1）纜索間距增大，隧道管體撓度、彎矩、剪力以及纜力均增大。原因在于在纜索間距變大，則錨固系統剛度降低，對管體的支持力度變小，因此結構體系的內力及撓度增大。此規律與第3節管節剛度研究結論吻合，錨固系統剛度與管節剛度存在此消彼長的關系；2）纜索夾角增大，隧道管體水平響應減小，豎向響應變大。原因在于纜索夾角增大時，錨固系統水平剛度增大，豎向剛度減小；3）對于本算例，纜索間距改變比其夾角改變對結構響應影響更大。

5.2 局部剛度降低

分析當隧道端部、1/4隧道長度位置以及隧道跨中分別發生單個錨固斷面纜索剛度降低0%（原剛度）、降低10%、50%和100%（即完全失效）時，共12個工況下隧道體系的響應。獲得隧道撓度及內力、纜索拉力對纜索局部剛度降低的敏感系數，剛度降低50%時的敏感系數見表3。

表3 纜索局部剛度降低敏感系數表Table 3 Sensitivity coefficient of local cable stiffness reduction

發現：1）纜索局部剛度降低，隧道管體撓度、內力以及最大纜力均增大；2）管體撓度和最大纜力在跨中位置變化最敏感；管體內力在1/4長度位置最敏感；3）任意位置的纜索剛度改變時，該纜索的纜力將發生劇烈變化。

5.3 斜纜與豎纜剛度分配

為探索斜纜與豎纜的剛度分配對懸浮隧道結構體系靜動力響應的影響，建立拉錨式懸浮隧道有限元模型，控制豎纜剛度值，讓斜纜剛度從0倍、0.2倍、0.4倍……1倍、2倍、4倍……10倍、1 000倍豎纜剛度進行變化，分別計算結構在相同水流力作用下的內力及變形，發現：

1）斜纜剛度/豎纜剛度=0時，隧道跨中轉角為0（小變形計算前提）；

2）隨著斜纜剛度/豎纜剛度增大，管體最大彎矩、剪力均減小（圖4），對接岸接頭結構設計有利。但與此同時，隧道跨中轉角增大；

圖4 橫斷面抗力利用率Fig.4 Cross-section resistance utilization rate

3）當斜纜剛度/豎纜剛度＞4時，隧道端部彎矩、剪力及跨中轉角均收斂。

上述發現可供拉錨式懸浮隧道纜索剛度分配比設計時參考。

5.4 海底形狀

海底形狀起伏將導致纜索長度變化，從而使纜索剛度產生變化。為探究海底形狀影響，對懸浮隧道錨在特征海床形狀與理想平底海床時進行典型動靜力工況計算并比較響應結果，均布水流力作用下特征海床形狀與理想平底海床計算結果見表4。

可見，地形變化對結果影響大。本算例中，特征海底形狀的管體內力偏小32%，原因是隧道兩端纜索長度短，剛度增大。作者通過改變海床凸凹進行其它計算計較。綜上結論是，工程計算不應忽略海床面實際凸凹不平。

6 基礎不均勻沉降

對于自由式懸浮隧道，不存在錨固系統沉降的問題（因為沒有錨固系統）；對于浮筒式懸浮隧道，其錨固系統可能隨著水位變化而產生起伏，但可以通過浮筒內壓載水量的變化進行調整；對于拉錨式懸浮隧道，其纜索與海底的錨固基礎在運營期間可能出現不均勻沉降的問題。

考慮3種全斷面纜索基礎沉降類型共9種沉降工況（圖5）：1）4處纜索沉降：海中段3～6號纜索同時發生基礎沉降；2）2處纜索沉降：3/6、4/5、3/5、3/4號纜索基礎沉降；3）單處纜索沉降：1、2、3、4號纜索分別發生基礎沉降。

圖5 計算示意圖Fig.5 Calculation schematic diagram

考慮4種同個錨固斷面纜索的不均勻沉降：1）單根豎纜沉降；2）單根斜纜沉降；3）2根豎纜沉降；4）1斜1豎沉降。并認為懸浮隧道管體結構可以承受這些沉降工況，僅比較不同沉降類型和沉降位置引起的管體及纜索內力大小。

將不發生錨固基礎沉降的工況定義為基準工況，計算得到所有沉降工況下的管體及纜索內力后，分別除以基準工況的相應內力值，從而將各內力無量綱化，如圖6所示。

圖6 基礎不均勻沉降工況計算結果Fig.6 Calculation resultsof uneven foundation settlement conditions

可見：1）沉降工況引起管體響應及纜索內力的增大；2）全斷面纜索基礎沉降組合中，4處纜索沉降工況引起的響應最小，單處纜索沉降引起的響應最大，且靠近隧道端部的纜索沉降比跨中纜索沉降更為不利，1號近岸纜索基礎沉降工況為所有沉降工況中的最不利工況；3）單根斜纜沉降引起的內力增量最小，2根豎纜沉降工況與1斜1豎沉降工況對管體及纜索內力影響近乎相同。

7 纜索失效分析

考慮圖5（a）中的1斷面、2斷面、3斷面或4斷面發生纜索全斷面失效。計算獲得各工況隧道管體撓度及內力，并用與第3節同樣的方法將各工況內力無量綱化，見圖7。

圖7 全斷面纜索失效工況內力計算結果圖Fig.7 Internal force calculation result of full section cable under failure condition

發現：1）纜索失效位置越靠近隧道跨中，則纜索失效引起的管體撓度越大；2）對于本算例，纜索最大拉力與纜索失效位置沒有明顯關系，纜索失效對纜力影響不大；3）從隧道管體最大彎矩和最大剪力來看，2斷面纜索失效為最不利工況。

以橫斷面2斜2豎纜索布置形式為例，分析同個錨固斷面中2種單根纜索失效工況：1）單根豎纜失效；2）單根斜纜失效。計算結果與基準工況比值見圖8。

圖8 單根纜索失效工況計算結果圖Fig.8 Calculation results of single cable failure condition

可見：1）單根纜索失效對管體內力影響不大，對纜索拉力及管體撓度影響較大；2）單根豎纜失效比單根斜纜失效影響大。

8 結語

本文主要發現：1）懸浮隧道水平曲率半徑應綜合考慮管體撓度、彎矩和扭轉并結合規范進行取值；2）管節剛度與纜索剛度對隧道體系的影響此消彼長，接頭剛度變化與管節剛度變化影響規律類似；3）近岸纜索沉降或單根豎纜沉降是較不利的；4）跨中纜索失效引起管體撓度增量較大。