兩端自由橢圓形管段模型波浪荷載下截面關(guān)鍵點(diǎn)加速度的試驗(yàn)研究

王 方, 李 科, 丁 浩, 李鵬輝, 何 田, 黃 博, 3, 程 亮, *

(1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067; 2. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074;3. 重慶交通大學(xué) 山地橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400074)

0 引言

隨著溝槽發(fā)育的復(fù)雜地形逐漸成為水下隧道的建設(shè)條件,傳統(tǒng)工法面臨著愈加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。懸浮隧道作為一種全封閉新型結(jié)構(gòu)[2],依靠浮力和錨索張力保持動(dòng)力平衡從而跨越海峽海灣,其憑借自身獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),成為21世紀(jì)最具有競(jìng)爭(zhēng)力的跨海結(jié)構(gòu)之一[3]。然而至今還沒有實(shí)際應(yīng)用工程,原因之一為所受外部荷載種類繁多,動(dòng)力特性復(fù)雜[4]。因此,開展波浪場(chǎng)作用下懸浮隧道管體的加速度特性研究,對(duì)早日實(shí)現(xiàn)懸浮隧道工程應(yīng)用具有實(shí)際意義。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)懸浮隧道動(dòng)力響應(yīng)問題已開展了大量深入研究,并取得了重大進(jìn)展。例如: 陽志文等[5]利用波流水槽構(gòu)建懸浮隧道縱向截?cái)嗄Ｐ驮囼?yàn),分析了波浪作用對(duì)懸浮隧道運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響,獲得了管體結(jié)構(gòu)的垂向及橫向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性;李勤熙等[6]、Li等[7]、蔣樹屏等[8]通過1∶80的物理模型試驗(yàn),開展了隨機(jī)波浪作用下的水中懸浮隧道力學(xué)模型試驗(yàn);Luo等[9]建立理論水動(dòng)力模型,研究了纜長(zhǎng)、浮力重比、周期、波陡、水深等參數(shù)對(duì)波浪荷載作用下懸浮隧道動(dòng)力響應(yīng)的影響;Sun等[10]將受拉支腿假設(shè)為端鉸接的非線性梁模型,采用 Galerkin法和 Runge-Kutta法求解,結(jié)果表明懸浮隧道張力腿的參數(shù)振動(dòng)響應(yīng)與末端激勵(lì)的幅值、頻率有關(guān);Chen等[11]提出了一種研究懸浮隧道管索系統(tǒng)非線性動(dòng)力響應(yīng)的理論方法,揭示了在參數(shù)激勵(lì)和水動(dòng)力激勵(lì)聯(lián)合作用下懸浮隧道的動(dòng)態(tài)特性;Yang等[12]介紹了波浪與懸浮隧道相互作用過程中懸浮隧道運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)觀測(cè),并深入分析了波高、波周期、潛深、浮力重比、系泊線角等控制參數(shù)對(duì)懸浮隧道運(yùn)動(dòng)的影響;Drost[13]開展波流作用下淹沒矩形圓柱體的流體動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)試驗(yàn)研究,分析了不同系泊角度和淹沒深度組合下加速度動(dòng)力響應(yīng);Deng等[14]通過開展自震蕩模型試驗(yàn),研究了雙管懸浮隧道模型的橫流渦激振動(dòng)特性;Oh等[15]通過二維波浪水槽物理試驗(yàn),研究了波浪作用下懸浮隧道動(dòng)力響應(yīng)。

雖然現(xiàn)有研究取得了豐富的實(shí)質(zhì)性成果,但也存在著許多不足: 目前所研究懸浮隧道的動(dòng)力響應(yīng)大多比較寬泛,較少學(xué)者針對(duì)懸浮隧道加速度特性開展具體深入的研究,且研究方法主要是理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬,僅有少量學(xué)者開展單因素、小比尺的相似模型試驗(yàn)。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)定制大尺度試驗(yàn)?zāi)Ｐ?開展兩端自由橢圓形管段模型試驗(yàn),分析討論規(guī)則波浪荷載作用下管體加速度特性,以期完善懸浮隧道的動(dòng)力響應(yīng)理論。

1 模型試驗(yàn)設(shè)置

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)地點(diǎn)為招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司內(nèi)部水下隧道實(shí)驗(yàn)室,實(shí)驗(yàn)室配備了大型波流水池、造波系統(tǒng)和室內(nèi)大型可移動(dòng)拖車等裝備[16]。水池的尺寸為24 m×24 m×3 m(長(zhǎng)×寬×深),滿足大范圍波流場(chǎng)的試驗(yàn)要求。造波系統(tǒng)主要由造波整列、伺服電機(jī)、造波機(jī)控制器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成,它可以模擬在0.5～2.0 s周期和2.5～20 cm波高內(nèi)的規(guī)則線性波、不同譜型的隨機(jī)波以及各類非線性波浪,且具有自動(dòng)迭代功能。大型可移動(dòng)拖車主要用于移動(dòng)固定試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮O(shè)備。此外,水池末端設(shè)置了一定坡度的消波層,該消波層設(shè)計(jì)為網(wǎng)箱結(jié)構(gòu),外框使用鋁合金型材,內(nèi)填塑料盲溝板,主要用于減小波浪反射和吸收波浪能量。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c測(cè)量?jī)x器

1.2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

基于瓊州海峽跨海通道背景和前人的研究[17-18],本試驗(yàn)選擇具有代表性的橢圓形斷面,并根據(jù)幾何形狀采用雙向6車道交通方案。在滿足JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》[19]和Froude相似準(zhǔn)則條件下,根據(jù)斷面結(jié)構(gòu)尺寸、水深、波浪等諸多要素以及水池和造波系統(tǒng)的性能指標(biāo),模型縮尺選定為60。浮重比為1.3∶1,主要為管節(jié)模型的重量,纜繩重量相對(duì)較小,可忽略不計(jì),剩余浮力由錨索系統(tǒng)來平衡。模型設(shè)計(jì)為雙管節(jié),管道邊界設(shè)置為兩端自由,截面的長(zhǎng)短軸為0.75 m × 0.317 m。為了避免模型在荷載作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞,模型壁厚取8 mm,尺寸誤差均控制在±0.5 mm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕獏?shù)如表1所示。采用亞克力模型制作內(nèi)部隔板,用于加強(qiáng)模型整體抗變形能力。模型和儀器安裝布置如圖 1所示。

1.2.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用加速度傳感器測(cè)量管體的加速度情況,可在水下采集管體加速度時(shí)程信息,最大量程和精度分別為2.0 g和0.3%,采樣率高達(dá)4 kHz,誤差為∠±0.1%F.S,能夠?qū)荏w的微小反應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確捕捉。加速度傳感器通過防水膠粘貼在管體端部中心正上方,并通過內(nèi)部的水準(zhǔn)校訂裝置控制方向,保證加速度傳感器Z方向與重力加速度方向相同,Y方向與波浪傳播方向相向,X方向與管節(jié)長(zhǎng)度方向相同。連接線用防水膠帶與管體緊密粘貼,且擺放與加速度傳感器Y方向一致,避免線纜對(duì)波浪傳播產(chǎn)生影響,從而影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1.2.3 設(shè)置安裝

首先將水池水位放至指定深度,在放置結(jié)構(gòu)物前,先進(jìn)行造波系統(tǒng)調(diào)試,驗(yàn)證試驗(yàn)波浪的準(zhǔn)確性。在波浪荷載調(diào)試完成后,隨即開展正式試驗(yàn),模型安裝在波流水池中間,距離造波推板約12 m,以保證波浪充分傳播和發(fā)展;距離消波層約14 m,防止反射波的影響,配重組裝和傳感器粘結(jié)均完成的模型由吊車吊裝到安放位置,接著進(jìn)行防水檢測(cè)和調(diào)試。通過水密性測(cè)試后,按照?qǐng)D 1(c)方式連接錨索,模型兩側(cè)各布置4根錨索,采用預(yù)裝的金屬環(huán)連接裝置連接;錨索與模型連接后,另一端穿過水池底部滑輪裝置,滑輪底部預(yù)留一定的空間,保證錨索在拉應(yīng)力作用下繞滑輪平穩(wěn)滑動(dòng)。錨索通過滑輪后,與預(yù)裝的拉力傳感器采用不銹鋼夾頭連接,每根錨索用2個(gè)不銹鋼夾頭緊固,防止錨索滑動(dòng),確保試驗(yàn)過程中模型固定可靠、振動(dòng)影響可控。水池水位增加到1.8 m,其他裝置架設(shè)完成后,放水至預(yù)定水深2.2 m,最后確保模型懸浮在水下0.4 m處。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)與數(shù)據(jù)采集

根據(jù)我國(guó)東海岸海洋觀測(cè)站的波浪參數(shù)統(tǒng)計(jì)資料[20],選取試驗(yàn)波浪參數(shù)如下: 試驗(yàn)時(shí)水池水深d保持2.2 m不變,入射波高H為0.05 ～ 0.10 m,波周期T為0.8 ～ 1.1 s,波浪傳播方向始終垂直于懸浮隧道模型截面。為了減少測(cè)量結(jié)果的重復(fù)誤差,保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,每組試驗(yàn)一般重復(fù)3次,取3次試驗(yàn)的平均值。

試驗(yàn)波浪由計(jì)算機(jī)控制推板產(chǎn)生,波浪參數(shù)會(huì)受到多種因素的影響,正式試驗(yàn)前在造波系統(tǒng)輸入?yún)?shù)進(jìn)行調(diào)試,以驗(yàn)證生成波浪的準(zhǔn)確性。使用測(cè)波儀測(cè)量無模型中心位置處的入射波高,選取采集的多周期規(guī)則波面時(shí)程與線性波理論解析進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯? 1)不同工況中波浪的傳播均較穩(wěn)定,2種規(guī)則波浪的變化趨勢(shì)一致; 2)試驗(yàn)波面與理論解吻合非常好,誤差在3%以內(nèi),這表明試驗(yàn)設(shè)備能生成準(zhǔn)確穩(wěn)定的規(guī)則波。

(a) H=0.06 m,T=0.86 s (b) H=0.07 m,T=0.96 s

(c) H=0.08 m,T=1.06 s (d) H=0.09 m,T=1.1 s

2 管體加速度時(shí)程

2.1 波高對(duì)加速度時(shí)程影響

選取周期為0.9 s,波高分別為0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10 m的6種工況,分析波高對(duì)管體的X、Y、Z3個(gè)方向加速度時(shí)程的影響。其中,X方向?yàn)楣荏w長(zhǎng)度方向(簡(jiǎn)稱為管體縱向),Y方向?yàn)椴ɡ藗鞑シ较?簡(jiǎn)稱為管體橫向),Z方向與重力加速度方向相同(簡(jiǎn)稱為管體豎向)。不同波高下管體加速度時(shí)程曲線如圖 3所示。

由圖 3可以看出: 1)當(dāng)波高較小(小于0.08 m)時(shí),管體的縱向加速度相應(yīng)較小,在1個(gè)波浪周期內(nèi)近似呈先增大后減小的變化規(guī)律,且與波浪作用有較大的相關(guān)性。這主要是波浪的反射以及波浪與結(jié)構(gòu)的相互作用引起的。2)橫向加速度遠(yuǎn)大于縱向加速度。造成這種現(xiàn)象主要是因?yàn)闄M向?yàn)橐?guī)則波浪的傳播方向,水質(zhì)點(diǎn)的橫向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)了管體的橫向運(yùn)動(dòng)。3)橫向加速度在波高小于0.07 m時(shí)呈現(xiàn)不規(guī)律的變化趨勢(shì),甚至出現(xiàn)了雙峰及多峰現(xiàn)象,并且正向加速度持續(xù)時(shí)間要遠(yuǎn)大于負(fù)向加速度持續(xù)時(shí)間。產(chǎn)生該現(xiàn)象主要原因是波浪在傳播到管體附近時(shí),前一個(gè)波浪帶動(dòng)水體作用于結(jié)構(gòu)物,會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反射,其反射波與下一個(gè)波浪相互作用,波浪與反射波的相互作用以及波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用共同導(dǎo)致了多峰的現(xiàn)象,這為典型的非線性變化趨勢(shì)。隨著波高的持續(xù)增加,橫向加速度逐漸發(fā)展為單峰變化趨勢(shì)。4)豎向加速度在小波高時(shí)存在著較為復(fù)雜且無規(guī)律變化。其變化規(guī)律為1個(gè)波浪周期出現(xiàn)2次峰值,隨著波高的增加,第2個(gè)峰值逐漸減小,直至消失。5)當(dāng)波高為0.10 m時(shí),豎向加速度呈現(xiàn)非線性較強(qiáng)的周期變化,在加速度正向變化較為劇烈,而在負(fù)向變化較為緩慢。

(c) 波高0.07 m (d) 波高0.08 m

(e) 波高0.09 m (f) 波高0.10 m

在周期一定的情況下,波高從0.05 m增大到0.10 m,可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)方向的管體加速度均呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)椴ǜ咴酱?水深處水質(zhì)點(diǎn)受波浪影響越大,水質(zhì)點(diǎn)能量越多,導(dǎo)致加速度越大。隨著波高的增加,管體橫向加速度時(shí)程峰值處從原有的高頻轉(zhuǎn)向低頻,且加速度峰值有較為明顯的非線性增長(zhǎng)趨勢(shì);豎向加速度時(shí)程隨著波高的增加呈現(xiàn)周期性的變化規(guī)律。

2.2 周期對(duì)加速度時(shí)程影響

選取波高為0.10 m,周期分別為0.8、0.9、1.0、1.1 s的4種工況,分析波浪周期對(duì)管體的X、Y、Z3個(gè)方向加速度時(shí)程的影響。不同周期下管體加速度時(shí)程曲線如圖 4所示。

(a) 周期 0.8 s (b) 周期 0.9 s

(c) 周期 1.0 s (d) 周期 1.1 s

由圖 4可以看出: 1)周期由0.8 s增加到0.9 s時(shí),管體橫向和豎向加速度時(shí)程發(fā)生了較大變化,縱向加速度變化較小,其變化規(guī)律也未有明顯變化。2)橫向加速度逐漸發(fā)展為單峰變化,在一個(gè)波周期內(nèi)先增加到峰值,后迅速減小至最小值,繼而迅速上升至峰值,并且橫向加速度由正向加速度較大逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)向加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正向加速度。這表明管體在短時(shí)間內(nèi)速度變化較大,在大波高工況下橫向負(fù)加速度的作用不可忽視。3)豎向加速度呈現(xiàn)非線性較強(qiáng)的周期變化,在正向變化較為劇烈,在負(fù)向變化較為緩慢。4)當(dāng)周期T為1.0 s時(shí),縱向加速度呈現(xiàn)較為規(guī)則的變化趨勢(shì),橫向負(fù)加速度遠(yuǎn)大于正加速度,豎向加速度也呈現(xiàn)較為顯著的非線性周期變化。雖然較大波高會(huì)導(dǎo)致波陡的增大進(jìn)而引起波浪破碎等現(xiàn)象,但同樣波浪的周期性會(huì)使豎向加速度更具有周期性和規(guī)律性,在錨索的作用下,管體向上運(yùn)動(dòng)會(huì)受到約束,向下運(yùn)動(dòng)會(huì)更加緩和。5)當(dāng)波浪周期為1.1 s時(shí),可以觀察到管體3個(gè)方向的加速度變化規(guī)律的非線性有所減弱。其中,縱向加速度呈現(xiàn)雙峰波動(dòng),且基本保持正向加速度狀態(tài);橫向加速度的非線性也同樣有所減弱,主要在峰值處波動(dòng)減弱;豎向加速度呈現(xiàn)了較為明顯的單峰狀態(tài)。

在波高一定的情況下,管體的加速度時(shí)程在小周期的波浪作用下呈現(xiàn)出高頻多峰特征,主要是由于小周期時(shí)波浪的波長(zhǎng)較小,導(dǎo)致在波浪高度相同的情況下波陡值增大,進(jìn)而引發(fā)波浪破碎現(xiàn)象;同時(shí)較小波長(zhǎng)的波浪作用在結(jié)構(gòu)上,將導(dǎo)致模型產(chǎn)生較為高頻的運(yùn)動(dòng)。隨著波浪周期的增大,波長(zhǎng)也相應(yīng)增加,使得波陡降低,減弱波浪破碎和能量耗散,同時(shí)波長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)尺寸比值的變化也導(dǎo)致模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有所區(qū)別。

2.3 加速度傅里葉變換頻域

為了更全面地了解波浪作用下管體加速度的頻域特性,對(duì)模型管體縱向、橫向、豎向加速度進(jìn)行傅里葉變換。

不同波高下管體加速度的傅里葉變換頻譜對(duì)比如圖 5所示。可以看出: 1)在波浪荷載作用下,當(dāng)波高較小時(shí),管體的縱向加速度頻域顯示出較為明顯的低頻現(xiàn)象(即頻率1.113～2.225 Hz),出現(xiàn)了2個(gè)峰值,在約1.113 Hz頻率處的最大值為0.000 7 m/s2。2)管體的橫向加速度頻域具有較寬的頻率區(qū)和更高的幅值,并表現(xiàn)出更多的隨機(jī)特性,出現(xiàn)多個(gè)峰值,其能量集中在頻率1.113～8.901 Hz,同樣在頻率約1.113 Hz時(shí)的最大值為0.006 5 m/s2。3)管體的豎向加速度頻域現(xiàn)象和橫向加速度相似,同樣表現(xiàn)出較多的隨機(jī)性,出現(xiàn)多個(gè)峰值,不同的是在約2.225 Hz頻率處的最大值為0.006 2 m/s2。隨著波高的增大,3個(gè)加速度頻率區(qū)均發(fā)生了較大的變化。4)縱向加速度仍顯示出明顯的低頻現(xiàn)象,但僅出現(xiàn)唯一峰值,同樣在約為1.113 Hz頻率處出現(xiàn)最大值,但最大值增大為0.011 2 m/s2。5)橫向加速度頻率同樣具有較寬的頻率區(qū)和更高的幅值,且出現(xiàn)多個(gè)峰值。這再次說明了非線性變化現(xiàn)象,主要原因是波浪與反射波的相互作用以及波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用。各個(gè)峰值相差不大,在頻率約為2.225 Hz時(shí)的最大值為0.040 2 m/s2。6)豎向加速度頻域變化最大,能量集中在頻率1.113～4.451 Hz。頻率區(qū)變窄,在低頻區(qū)約1.113 Hz處的最大值為0.057 0 m/s2,幅值約增大了9倍。

(a) 波高0.05 m

(b) 波高0.10 m

不同周期下管體加速度的傅里葉變換頻譜對(duì)比如圖 6所示?？梢钥闯? 1)在波浪荷載作用下,當(dāng)波高一定時(shí),隨著周期由0.8 s增大為1.1 s,縱向加速度仍處于低頻率區(qū)。2)當(dāng)小周期時(shí),在頻率約1.252 Hz時(shí)的最大值為0.001 7 m/s2。3)當(dāng)較大周期時(shí),在頻率約0.910 1 Hz時(shí)的最大值為0.006 0 m/s2,幅值增大了3倍。4)橫向加速度的頻率區(qū)變寬,其能量集區(qū)由頻率為1.252～6.260 Hz變?yōu)?～8.646 Hz,并表現(xiàn)出更多的隨機(jī)性,由3個(gè)峰值增加為多個(gè)峰值。5)周期為1.1 s時(shí),橫向加速度具有更高的幅值,幅值最大值由0.010 2 m/s2增大為0.019 8 m/s2。6)豎向加速度頻率具有更寬的頻率區(qū)和更高的幅值,同樣表現(xiàn)出更多的隨機(jī)特性,出現(xiàn)了3個(gè)幅值相同的峰值,在頻率約為0.910 Hz和1.820 Hz處的最大值為0.029 8 m/s2。7)在大周期條件下,其能量集中區(qū)域?yàn)?.910～6.371 Hz。

(a) 周期0.8 s

(b) 周期1.1 s

3 管體加速度極值

通過對(duì)模型管體加速度的時(shí)程變化分析,可以較為明顯地看出波浪作用下加速度的非線性變化情況。為進(jìn)一步探明波高和周期對(duì)模型管體加速度的影響情況,下文針對(duì)模型管體加速度最大值和最小值的變化情況展開討論。

3.1 波高對(duì)加速度極值影響

選取周期為1.0 s,波高分別為0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10 m的6種工況,分析波高對(duì)管體的X、Y、Z3個(gè)方向加速度極值的影響。不同波高下模型加速度極值變化如圖 7所示。

圖7 不同波高下模型加速度極值變化圖

由圖 7可以看出: 1)隨著波高的增大,管體的縱向加速度呈現(xiàn)較大程度的波動(dòng)。造成該現(xiàn)象的原因?yàn)榭v向加速度主要由波浪的反射以及波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用造成,其絕對(duì)值一般較小,變化也較為不穩(wěn)定,導(dǎo)致了加速度極值不穩(wěn)定現(xiàn)象。2)縱向加速度隨波高的變化呈現(xiàn)較為對(duì)稱的分布,即最大值和最小值的絕對(duì)值近乎一致。這種現(xiàn)象說明在反射波浪以及波浪與結(jié)構(gòu)的相互作用下,模型縱向呈現(xiàn)對(duì)稱的振動(dòng)響應(yīng)。3)橫向加速度最大值和最小值均隨著波高的增加而增大。在波高小于0.08 m時(shí),橫向加速度的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為線性,而當(dāng)波高達(dá)到0.09 m時(shí),橫向加速度最大值急劇增大,最小值急劇減小,并且隨著波高的繼續(xù)增大,橫向加速度的變化幅度較小。造成該現(xiàn)象的主要原因可能是大周期波浪下,隨著波陡的降低,一方面導(dǎo)致了波浪在大波高處不易發(fā)生破碎,造成能量損失;另一方面是波長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)尺寸之比的增加也會(huì)導(dǎo)致波高對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響加大。該現(xiàn)象也發(fā)生在管體豎向加速度的變化規(guī)律上。

3.2 周期對(duì)加速度極值影響

選取波高0.10 m,周期分別為0.8、0.9、1.0、1.1 s的4種工況,分析波浪周期對(duì)管體的X、Y、Z3個(gè)方向加速度極值影響。不同周期下模型加速度極值變化如圖8所示。

由圖 8可以看出: 1)隨著周期的增大,管體縱向、橫向和豎向加速度最大值均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),最小值也均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。2)當(dāng)周期小于1.0 s,管體縱向、橫向和豎向加速度呈現(xiàn)近似線性變化趨勢(shì)。3)周期為1.0 s,管體縱向、橫向和豎向加速度達(dá)到峰值。4)當(dāng)周期增長(zhǎng)到1.1 s時(shí),可以發(fā)現(xiàn)管體縱向、橫向和豎向加速度呈現(xiàn)最大值減小、最小值增大的變化趨勢(shì)。這種現(xiàn)象表明,隨著波浪周期的增大,波浪對(duì)模型動(dòng)力響應(yīng)的影響先增大后減小,該現(xiàn)象和波長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)橫向尺寸比值相關(guān),當(dāng)波長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)橫向尺寸之比達(dá)到一定值時(shí),波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力響應(yīng)影響最大。

4 結(jié)論與建議

本文基于模型試驗(yàn)開展在波浪荷載作用下兩端自由橢圓形管段動(dòng)力響應(yīng)研究,分析討論波高、周期參數(shù)對(duì)模型管體的加速度時(shí)程變化和極值大小的影響,主要結(jié)論與建議如下:

1)當(dāng)周期一定時(shí),模型管體縱向、橫向、豎向3個(gè)方向的加速度均隨著波高的增大而增大。當(dāng)波高逐漸增大時(shí),縱向加速度變化較小,最大值呈現(xiàn)較大程度的波動(dòng),最小值變化較為穩(wěn)定,呈現(xiàn)持續(xù)減小的趨勢(shì);橫向加速度時(shí)程峰值處從原有的高頻轉(zhuǎn)向低頻,且加速度峰值有較為明顯的非線性增長(zhǎng)趨勢(shì);豎向加速度隨著波高的增加呈現(xiàn)多周期的變化規(guī)律,在一個(gè)波周期范圍內(nèi),豎向加速度2個(gè)周期的峰值差距呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),且最小值符合線性增長(zhǎng)的趨勢(shì),最大值增長(zhǎng)趨勢(shì)與橫向加速度相似,但在大波高時(shí)增長(zhǎng)幅度有所下降。

2)當(dāng)波高一定時(shí),模型管體的加速度時(shí)程在小周期的波浪作用下呈現(xiàn)出高頻多峰趨勢(shì),隨周期呈現(xiàn)了非線性的變化規(guī)律,豎向加速度的規(guī)律性較為顯著,特別是正向加速度持續(xù)時(shí)間有明顯增長(zhǎng)。隨著周期的增大,管體的縱向、橫向、豎向加速度極值大小均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

3)本文只研究了一種環(huán)境荷載,不夠全面,對(duì)于其他種類荷載作用下兩端自由橢圓形管段的動(dòng)力響應(yīng)分析有待于進(jìn)一步的研究。

4)本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吔缭O(shè)置為自由端,未采用節(jié)段剛度與原懸浮隧道約束及剛度等效的方式進(jìn)行模擬及試驗(yàn),未來可針對(duì)此方向進(jìn)一步開展研究。