CN110174227B - 地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置及方法，试验装置包括试验水槽和传感测量装置，在试验水槽内设有造波造流装置、地震模拟振动台、以及用以约束试验管体运动的约束装置；试验方法为在试验水槽中安装波高计、流速计，并对波流进行波流序列校核和消波处理；将试验管体与地震模拟振动台相连接，并安装陀螺仪传感器、GPS‑RTK组合测量装置、拉力传感器和压力传感器；利用造波造流装置进行造波造流，待波流稳定后，开启地震模拟振动台；对试验管体的各项动力指标进行测量，并通过数据采集仪对数据进行动态采集。本发明可以真实有效模拟水下悬浮隧道在波流、地震等载荷作用下的结构三维运动及受力情况。

Description

地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋工程和桥梁隧道工程技术领域，特别涉及一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置及方法。

背景技术

悬浮隧道(Submerged Floating Tunnel，简称SFT)及其锚索长时间处于海洋环境中，波浪和水流载荷是其遭受的最主要的环境载荷。对于波流载荷作用，目前已经存在绕射理论、Froude-Krylov理论、Morison方程等多种数值仿真计算理论及方法。但是，目前数值仿真计算理论及方法为了便于计算，多采取了假设与简化，例如没有考虑隧道与流体的流固耦合作用、水流假设为理想流体、隧道考虑为理想刚体等，导致数值仿真计算结果与悬浮隧道实际受力、运动情况有出入。目前，国内外学者公认的研究浮体结构在波流载荷作用下运动及受力的最有效的手段还是物理模型试验，为了准确地获取波流载荷作用下浮体结构的运动及受力情况，需设计专门的波流载荷作用下悬浮隧道动力响应试验模型。

此外，悬浮隧道及其锚索长时间处于海洋环境中，由于地球大部分的地震都发生在海洋上，地震也是十分重要的环境载荷，海洋地震发生时，会对悬浮隧道产生较强的破坏性，它对工程的造价、安全性及工作寿命同样起着举足轻重的作用。而对于地震载荷，目前研究对地震的发生机制并不明确，并且由于结构在地震作用下动力响应非常复杂，所以地震荷载发生时，对结构的数值模拟仿真与理论分析仍需要进行较多假设与简化，造成与实际情况偏差较大，尚不能完全揭示地震作用下的反应过程与破坏机理。而试验研究虽然较多情况下只能进行缩尺模型研究，但由于国内外陆地上模拟地震试验设备发展已经较为成熟，能够较好的模拟地震横波、纵波和地震效果，从经济与可行方面考虑，通过地震模拟试验对现实工况对比分析仍不失为一种较优的研究手段。而且，海洋地震由于水介质(能传递纵波)的存在，使得海洋中地震发生时对悬浮隧道影响作用更为复杂，特别是当海洋地震与波流耦合作用下，已经不能简单的视为地震作用效果与波流作用效果的叠加，而需谨慎考虑地震对附近水域波流运动耦合作用的影响。在如此复杂工况下，必然造成在理论分析与数值模拟时需要对实际参数进行过多简化，使得研究成果与实际情况的误差较大，于是进行海洋环境中地震试验模拟就突显出巨大的优势。

Experimental and numerical analysis of submerged floating tunnel，J.Cent.South Univ.(2012)19：2949-2957，公开了一种海洋地震作用下的悬浮隧道试验装置，但该试验装置存在以下不足：(1)无法造波浪流等，仅仅考虑地震水下发生对水流的影响，无法模拟地震和波浪的耦合作用；(2)没有考虑管体两端约束，无法模拟相邻管段及驳岸段岩体锚固对隧道试验管体的作用；(3)未进行消波处理，波浪反射折射等扰动对管体产生影响作用，影响测量精度；(4)采用加速度传感器进行测量，测量精度低，无法精确反映管体的水下姿态；(5)未考虑试验假定，无法灵活调节缆索角度、长度、缆力等；(6)仅能测量垂荡方向和横荡方向的加速度，不能够测量纵荡、横摇等自由度的运动响应，无法全面反映管体在复杂海洋环境中的水下姿态。

因此，介于现在尚无考虑了地震与波流耦合作用的悬浮隧道动力响应试验装置，研究时可参考现有的一些悬浮隧道试验模型，比如水下多点激励拟动力试验系统、悬浮隧道整体冲激响应试验装置、悬浮隧道在海洋波浪力作用下的试验系统等，现对以上各种试验的优缺点进行简单罗列：

水下多点激励拟动力试验系统(此专利授权公告号：CN 103868669A)具有能够满足大型结构模型尺寸方面的要求、地震输入多点多维输入及再现地震动与结构反应等优点，但该装置未能考虑悬浮隧道所处的波流环境、并且没有模拟海底板块震动对水体的影响。

悬浮隧道整体冲击响应试验装置(此专利授权公告号：CN 203881508U)具有模型简单直观、造价低、增加了对约束仿真的考虑等优点，但只考虑一维荷载与动力响应，不能全面分析其他维度的情况。

海洋波浪力作用下悬浮隧道试验系统(此试验模型取自：Simplified analysisfor estimation of the behavior of a submerged floating tunnel in waves andexperimental verification，Marine Structures，2015-12-15)具有简易直观、参数可控、精度高以及适用于小尺寸模型等优点，但在只做单节模型的情况下未考虑相邻管段及驳岸段岩体锚固对试验隧道管体的作用，并且未对悬浮隧道附近水体进行消波处理。

为了准确把握悬浮隧道在波流及地震耦合作用下的作用运动及受力情况，需对前人试验模型及方法进行总结分析、弥补不足之处，进而继承与发展，设计在地震与波流耦合作用下悬浮隧道的缩尺模型试验装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置及方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置，包括试验水槽和传感测量装置，在所述试验水槽内设有造波造流装置、地震模拟振动台、以及用以约束试验管体运动的约束装置。

所述造波造流装置主要由造波机与造流机组成，通过内置计算机输入与调整波浪参数，实现对水体运动的控制；所述地震模拟振动台通过施加水平方向与竖直方向的振动加速度来实现对试验管体施加地震荷载，并且实现对波流进行地震加载；所述传感测量装置包括多种传感器，用以收集反馈试验数据，可全面反映悬浮隧道试验管体的各种试验数据；所述约束装置可实现对悬浮隧道试验管体两端约束情况的模拟，实现悬浮隧道管体相邻管段及驳岸段岩体锚固对隧道试验管体作用的仿真模拟。

本发明采用造波造流装置与地震模拟振动台，用以模拟地震与波流耦合激励作用，实现悬浮隧道在海洋地震环境下的动力响应模拟仿真，可以真实有效地模拟水下悬浮隧道在波流、地震等载荷作用下的结构三维运动及受力情况。

优选的，所述约束装置包括阻尼器和弹簧，所述约束装置布置在所述试验管体的两端。通过调节弹簧与阻尼器的约束力，可对各种工况下悬浮隧道试验管体初始状态进行灵活模拟。

优选的，所述传感测量装置包括陀螺仪传感器和GPS-RTK组合测量装置，所述GPS-RTK组合测量装置包括空间定位传感器、天线和GNSS接收机，陀螺仪传感器和空间定位传感器安装在所述试验管体的质心处，所述试验管体上安装有立杆，并保证所述立杆与所述试验管体协同变形，所述立杆的顶部露出所述试验水槽的水面，所述立杆上连接有所述天线。

GPS-RTK组合测量装置基于MEMS(Microelectro Mechanical Systems)技术，并融合了GPS(global position systems，全球定位系统)和RTK(Real-time kinematic，测量数据差分方法)两种方法，解决了传统GPS定位精度低的问题，理论精度可以达到厘米级。试验时，通过安装在试验管体质心处的空间定位传感器进行实时精准测量，并通过天线、结合地面的GNSS接收机实现数据的无线动态采集。

所述陀螺仪传感器用于测量试验管体的旋转，所述GPS-RTK组合测量装置用于实现试验管体位置的精准定位，通过陀螺仪传感器和GPS-RTK组合测量装置的配合使用，可以测量试验管体的六个方向的自由度，获取试验管体的水下姿态。另外，为了解决GPS信号在水下难以传输的问题，本发明在露出水面的立杆上连接天线，通过天线与GNSS接收机实现数据的实时传输。

优选的，所述造波造流装置布置在所述试验水槽的一端，所述试验水槽的另一端布置有碎石消波装置。所述碎石消波装置为碎石堆砌成的消波器，用来降低反射波的作用。采用碎石消波装置对试验水槽内水体进行消波处理，消除壁面反射波，提高造波质量，提高传感测量装置采集的数据的准确性。

优选的，所述碎石消波装置为碎石堆成的阶梯形斜坡结构，可实现较好的消波效果，也可采用常见的斜坡结构，不设阶梯。

优选的，所述传感测量装置还包括波高计、流速计、拉力传感器和压力传感器，可准确获取试验管体的各种参数。

优选的，所述传感测量装置还包括数据采集仪，所述数据采集仪用以收集波高计、流速计、拉力传感器、压力传感器、陀螺仪传感器和GPS-RTK组合测量装置测到的各种数据。

优选的，所述波高计分别布置在所述造波造流装置一侧、所述碎石消波装置一侧，以及试验管体两侧，通过多点采集，可实现对波高的准确测量，反馈波浪参数，从而有效地达到了消减反射波的目的。所述流速计分别布置在试验管体两侧，且沿着所述试验水槽深度方向进行布置，保证所测流速的准确性。

优选的，所述拉力传感器安装在锚索上，所述锚索连接所述试验管体和地震模拟振动台，所述压力传感器安装在试验管体的表面。通过合理布置传感器，对悬浮隧道试验管体动力参数进行数据采集及测量。

优选的，所述试验水槽的长度尺寸至少为横截面尺寸的5倍，通过将试验水槽设计成长条形结构，试验水槽长度方向远大于横截面尺寸，用以消减反射波的对悬浮隧道试验管体的作用。

优选的，所述地震模拟振动台固定在所述试验水槽的底部，放置于水下，用以模拟地震与波流耦合激励作用。

优选的，所述地震模拟振动台上安装有假底，所述假底用于安装试验管体并调节所述试验管体在水中的姿态，当需要调整试验管体的安装位置和夹角时，直接通过调整假底即可实现，安装、调节较为方便。

本发明还公开了一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验方法，采用任一所述的一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置进行试验，包括以下步骤：

步骤一：在试验水槽中安装波高计、流速计，并对试验水槽中的波流进行波流序列校核和消波处理；

步骤二：将试验管体安装至试验水槽中，将试验管体与地震模拟振动台相连接，并安装陀螺仪传感器、GPS-RTK组合测量装置、拉力传感器、压力传感器；

步骤三：利用造波造流装置进行造波造流，待流波流定后，开启地震模拟振动台；

步骤四：利用所述陀螺仪传感器、GPS-RTK组合测量装置、拉力传感器和压力传感器对所述试验管体的各项指标进行测量，并通过数据采集仪对数据进行动态采集。

本发明所述的试验方法首先进行了波流序列校核和消波处理，消除由于试验水槽壁对水体作用的反射现象而产生的试验误差，提高了试验的准确度，采用传感测量装置对水动力参数及管体的动力响应进行准确测量，利用造波造流装置和地震模拟振动台，对地震与波流耦合激励作用进行模拟，可真实有效地模拟水下悬浮隧道在波流、地震等载荷作用下的结构三维运动及受力情况。

优选的，所述步骤一中，先通过造波造流装置释放一段波流，当波浪遇到碎石消波装置后，一部分波浪将被碎石消波装置破碎消散；另外一部分则会反射回造波造流装置附近，通过波高计对反射波的测量收集，反馈到造波造流装置的计算机中，利用计算机对造波造流装置的导流板进行控制调整，从而得到所设参数的波浪，通过碎石消波装置与计算机消波控制，实现水槽消波处理。

优选的，所述步骤二中，试验管体底部通过锚索锚固于水下的地震模拟振动台，并在试验管体两端安装约束装置，优选的，所述约束装置包括阻尼器和弹簧，实现对悬浮隧道试验管体两端约束情况的模拟。再根据拉力传感器测得的参数，调整悬浮隧道试验管体的初始缆力。

优选的，所述步骤二中，在所述地震模拟振动台上设有假底，试验管体底部通过锚索锚固于所述假底上，当需要调整试验管体的安装位置和夹角时，直接通过调整假底即可实现，安装、调节较为方便。

与现有技术相比，本发明所述的试验装置的有益效果：

本发明所述的试验装置结构简单、安装简易、可以真实有效地模拟水下悬浮隧道在波流、地震等载荷作用下的结构三维运动及受力情况。通过将隧道试验管体底部用锚索锚固在水下地震模拟振动台上，并将整体浸没于水中，用以模拟地震与波流耦合激励作用；在单节模型两端增加了弹簧及阻尼约束，模拟试验悬浮隧道管体相邻管段及驳岸段岩体锚固对隧道试验管体的作用；通过调节弹簧、阻尼器约束装置的刚度和阻尼，可灵活模拟各种工况下悬浮隧道试验管体的初始状态；通过利用长条形水池的特点与碎石消波装置，减少波流扰动对试验管体的影响作用；采用传感测量装置实现对水动力参数及悬浮隧道动力响应情况的精确采集。

与现有技术相比，本发明所述的试验方法的有益效果：

本发明所述的试验方法首先进行了波流序列校核和消波处理，消除由于试验水槽壁对水体作用的反射现象而产生的试验误差，提高了试验的准确度，采用传感测量装置对水动力参数以及悬浮隧道动力响应情况进行准确测量，利用造波造流装置和地震模拟振动台，对地震与波流耦合激励作用进行模拟，可真实有效地模拟水下悬浮隧道在波流、地震等载荷作用下的结构三维运动及受力情况。

附图说明

图1是本发明所述的一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置的立面布置图。

图2是本发明所述的一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置的平面布置图。

图3是本发明所述的悬浮隧道试验模型的结构示意图。

图4是本发明所述的约束装置的结构示意图。

图5是本发明实施例1所述的传感测量装置的立面布置图。

图中标记：1-试验管体，2-锚索，3-约束装置，4-波高计，5-流速计，6-阻尼器，7-弹簧，8-模型支架，9-陀螺仪传感器，10-拉力传感器，11-压力传感器，12-立杆，13-假底，14-天线，101-造波造流装置，102-地震模拟振动台，103-碎石消波装置，104-试验水槽。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1-图2所示，一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置，包括试验水槽104，在所述试验水槽104的一端设有造波造流装置101，另一端设有碎石消波装置103，在所述试验水槽104内还设有地震模拟振动台102以及传感测量装置，图中箭头方向为水流方向。

所述试验水槽104为一长条矩形截面水槽，水槽长度方向远大于横截面尺寸，优选的，所述试验水槽104的长度尺寸至少为横截面尺寸(宽度、高度)的5倍。

所述造波造流装置101主要由造波机与造流机组成，所述造波造流装置101内置有计算机，通过计算机输入与调整波浪参数，实现对水体运动的控制。

所述碎石消波装置103为碎石堆砌成的阶梯形斜坡结构，用来降低反射波的作用。

所述地震模拟振动台102固定在所述试验水槽104的底部，置于水下，所述地震模拟振动台102通过施加水平方向与竖直方向的振动加速度来实现对试验管体施加地震荷载，并且实现对波流进行地震加载。

如图5所示，所述传感测量装置包括波高计4、流速计5、陀螺仪传感器9、GPS-RTK组合测量装置、拉力传感器10和压力传感器11，用以收集反馈试验数据，图中箭头方向为水流方向。所述GPS-RTK组合测量装置包括空间定位传感器、天线14和位于地面的GNSS接收机。

所述波高计4分别布置在所述造波造流装置101一侧、所述碎石消波装置103一侧，以及试验管体1两侧，所述流速计5分别布置在试验管体1两侧，且沿着所述试验水槽104深度方向进行布置，所述陀螺仪传感器9和空间定位传感器安装在试验管体1的质心处，所述拉力传感器10安装在锚索2上，所述锚索2连接所述试验管体1和地震模拟振动台102，所述压力传感器11安装在试验管体1的表面。另外为了解决水下GPS信号传输问题，本发明在在所述试验管体1上固定安装有立杆12，并保证立杆12与试验管体1协同变形，所述立杆12的顶部露出所述试验水槽104的水面，所述立杆12上连接有所述天线14。

如图3所示，在试验水槽104中部安装悬浮隧道试验模型，所述悬浮隧道试验模型包括试验管体1、锚索2、约束装置3及锚固装置，其中，试验管体1由丙烯酸材料制成。如图4所示，约束装置3包括模型支架8，在模型支架8内设有阻尼器6与弹簧7，所述试验管体1通过阻尼器6、弹簧7与所述模型支架8相连接，通过选定弹簧7的刚度与阻尼器6的阻尼，以及调节弹簧7与阻尼器6的约束力，用以实现对悬浮隧道试验管体1两端约束情况的模拟。通过锚索2将管体1与地震模拟振动台102连接为一个整体，并利用锚固装置实现对锚索2初始张力的调整，悬浮隧道试验模型整体置于地震模拟振动台102上。

优选的，所述地震模拟振动台102上设有假底13，所述假底13与所述地震模拟振动台102可拆卸式连接，例如所述假底13为钢板结构，且与所述地震模拟振动台102栓接，所述假底13在地震模拟振动台102上的安装位置和夹角可调。因此，试验管体1底部可通过锚索2锚固于所述假底13上，当需要调整试验管体1的安装位置和夹角时，直接通过调整假底13即可实现，无需对每根锚索2进行调整，安装、调节较为方便。也可在假底13上设置滑轮组，从而便于对锚索2的角度、长度、缆力进行调整。

实施例2

一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验方法，包括以下步骤：

步骤一：在试验水槽104中安装波高计4、流速计5，并对试验水槽104中的波流进行波流序列校核和消波处理。

由于试验水槽104边界的约束作用，波浪在运动时产生的反射现象将会对试验管体1运动有显著影响，为消减波浪的反射现象，需要进行波流序列校核和消波处理。先通过造波造流装置101释放一段波流，当波浪遇到碎石消波装置103后，一部分波浪将被碎石消波装置103破碎消散；另外一部分则会反射回造波造流装置101附近，通过波高计4对反射波的测量收集，反馈到造波造流装置101的计算机中，将计算机输入的波流序列与实际输出波流情况进行比对校核，利用计算机对造波造流装置101的导流板进行控制调整，从而得到所设参数的波浪，通过碎石消波装置103与计算机消波控制，实现试验水槽104消波处理。

步骤二：将试验管体1安装至试验水槽104中，所述试验管体1通过阻尼器6、弹簧7与模型支架8相连接，通过选定弹簧7的刚度与阻尼器6的阻尼，以及调节弹簧7与阻尼器6的约束力，用以实现对悬浮隧道试验管体1两端约束情况的模拟。通过锚索2将管体1与地震模拟振动台102连接为一个整体，并利用锚固装置实现对锚索2初始张力的调整，悬浮隧道试验模型整体置于地震模拟振动台102上，地震模拟振动台102安装于水下。并在试验管体1上安装陀螺仪传感器9、GPS-RTK组合测量装置和压力传感器11，在锚索2处安装拉力传感器10。

步骤三：利用造波造流装置101进行造波造流，待波流稳定后，开启地震模拟振动台102。

步骤四：利用所述陀螺仪传感器9、GPS-RTK组合测量装置、拉力传感器10和压力传感器11对所述试验管体1的各项动力指标进行测量，并通过数据采集仪对数据进行动态采集，为实际工程提供实验数据，用以指导实际工程应用。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置，其特征在于，包括试验水槽（104）和传感测量装置，在所述试验水槽（104）内设有造波造流装置（101）、地震模拟振动台（102）、以及用以约束试验管体（1）运动的约束装置（3），所述约束装置用于实现对悬浮隧道试验管体两端约束情况的模拟，所述约束装置（3）包括阻尼器（6）和弹簧（7），所述约束装置布置在所述试验管体（1）的两端，所述传感测量装置包括陀螺仪传感器（9）和GPS-RTK组合测量装置，所述GPS-RTK组合测量装置包括空间定位传感器、天线（14）和GNSS接收机，陀螺仪传感器（9）和空间定位传感器安装在所述试验管体（1）的质心处，所述试验管体（1）上安装有立杆（12），并保证所述立杆（12）与所述试验管体（1）协同变形，所述立杆（12）的顶部露出所述试验水槽（104）的水面，所述立杆（12）上连接有所述天线（14），所述地震模拟振动台（102）上安装有假底（13），所述假底（13）用于安装所述试验管体（1）并调节所述试验管体（1）在水中的姿态，所述假底（13）在地震模拟振动台（102）上的安装位置和夹角可调。

2.根据权利要求1所述的一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置，其特征在于，所述造波造流装置（101）布置在所述试验水槽（104）的一端，所述试验水槽（104）的另一端布置有碎石消波装置（103）。

3.根据权利要求2所述的一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置，其特征在于，所述碎石消波装置（103）为碎石堆成的阶梯形斜坡结构。

4.根据权利要求2所述的一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置，其特征在于，所述传感测量装置包括波高计（4）、流速计（5）、拉力传感器（10）和压力传感器（11），所述波高计（4）分别布置在所述造波造流装置（101）一侧、所述碎石消波装置（103）一侧，以及所述试验管体（1）两侧；所述流速计（5）分别布置在所述试验管体（1）两侧，且沿着所述试验水槽（104）深度方向进行布置；所述拉力传感器（10）安装在锚索（2）上，所述锚索（2）连接所述试验管体（1）和地震模拟振动台（102）；所述压力传感器（11）安装在试验管体（1）的表面。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置，其特征在于，所述试验水槽（104）的长度尺寸至少为横截面尺寸的5倍，所述地震模拟振动台（102）固定在所述试验水槽（104）的底部。

6.一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一所述的一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验装置进行试验，包括以下步骤：

步骤一：在试验水槽（104）中安装波高计（4）、流速计（5），并对试验水槽（104）中的波流进行波流序列校核和消波处理；

步骤二：将试验管体（1）与地震模拟振动台（102）相连接，并安装陀螺仪传感器（9）、GPS-RTK组合测量装置、拉力传感器（10）、压力传感器（11）；

步骤三：利用造波造流装置（101）进行造波造流，待波流稳定后，开启地震模拟振动台（102）；

步骤四：利用所述陀螺仪传感器（9）、GPS-RTK组合测量装置、拉力传感器（10）和压力传感器（11）对所述试验管体（1）的各项指标进行测量，并通过数据采集仪对数据进行动态采集。

7.根据权利要求6所述的一种地震与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验方法，其特征在于，所述步骤一中，通过碎石消波装置和利用造波造流装置（101）内置计算机进行消波控制，实现水槽消波处理。