CN113218621A - 固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程和桥梁隧道工程技术领域，涉及一种固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置及方法，本试验装置包括设置在试验港池内的悬浮隧道试验管体、造波造流装置及传感器数据采集装置，试验港池的上方设有桁架拖车装置，桁架拖车装置上设有能作用于悬浮隧道试验管体的固体运移装置。本发明的试验装置可以真实有效模拟水下悬浮隧道在波流、固体冲击等荷载作用下的结构受力及动力响应情况。

Description

固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置及方法

技术领域

本发明属于海洋工程和桥梁隧道工程技术领域，具体涉及一种固体运移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(阿基米德桥)，是一种跨越深海海峡、大江湖泊等水道的新型交通结构，其通过自身浮力来参与支撑隧道重量和交通荷载，并且相对于跨海桥梁、沉管隧道等结构具有纵向坡度小、结构总体长度短以及全天候运营等优点。悬浮隧道在运营期间，除受到波浪、洋流以及移动车辆荷载等作用外，还面临着沉船、海面坠物、潜艇以及大型海洋生物运移碰撞冲击的风险。

目前关于固体运移冲击荷载方面的研究是处于初步阶段，而悬浮隧道试验管体长度大，结构柔，又处于深水环境中，在冲击荷载作用下，整体结构会发生较大变形和振动，同时过大的冲击力可能会导致管体局部破损而发生涌水等次生灾害，严重威胁内部交通和人员的生命安全。悬浮隧道在固体运移作用下同样受到了波流场的耦合作用，在固体运移冲击荷载作用下的悬浮隧道会发生非线性振动，进而与周围波流场产生相互作用。在波流耦合及固体运移冲击作用下，采用理论分析与数值模拟时需要对实际模型进行过多简化，使得研究结果与实际情况有较大的误差，于是有必要进行固体运移与波流耦合作用下悬浮隧道动力响应试验。

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(专利号：CN110174227A)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，它能够模拟水下悬浮隧道在波流、地震等载荷作用下的结构运动情况。但未进行结构振动加速度的测量，并且无法再现固体运移对悬浮隧道的冲击作用情况。

悬浮隧道整体冲击响应试验装置(专利号：CN104034504A)提出了一种模拟整体冲击的悬浮隧道试验装置，它可以通过落锤与其导轨的联合作用来调整冲击荷载。但所提出的落锤冲击装置只能进行竖向冲击作用，模拟海洋坠物及沉船的冲击情况，对于潜艇以及大型海洋生物运移碰撞冲击无法模拟再现。同时，落锤冲击装置只能通过调整下落高度来达到模拟冲击荷载的目的，无法实现对固体运移冲击速度的精准试验模拟。

因此，为了准确把握悬浮隧道在固体运移及波流耦合作用下的振动特性及受力情况，需对前人试验模型及方法进行总结分析、弥补不足之处，来设计在固体运移及波流耦合作用下悬浮隧道的港池模型试验装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置及方法，旨在解决现有技术中未进行结构振动加速度的测量及未对固体运移冲击速度的精准试验模拟等问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置，包括设置在试验港池内的悬浮隧道试验管体、造波造流装置及传感器数据采集装置，试验港池的上方设有桁架拖车装置，桁架拖车装置上设有能作用于悬浮隧道试验管体的固体运移装置。采用上述方案，通过造波造流装置与桁架拖车装置相结合，用以模拟固体运移与波流耦合作用，实现悬浮隧道在复杂海洋环境下面临着沉船、海面坠物、潜艇以及大型海洋生物运移碰撞冲击的动力响应试验模拟，可以真实有效模拟水下悬浮隧道在波流、固体冲击等荷载作用下的结构受力及动力响应情况。

进一步，试验港池的一侧设置所述的造波造流装置，另一相对侧布置有金属网状消波装置。

进一步，试验港池的底部安装有多组滑轮装置，悬浮隧道试验管体通过锚索设置在滑轮装置上。

进一步，传感器数据采集装置包括有电容式波高仪、多普勒流速仪、拉力传感器、位移传感器、加速度传感器以及点压力传感器，电容式波高仪分别布置在靠近造波造流装置一侧、金属网状消波装置一侧以及悬浮隧道试验管体前后左右侧，用于无悬浮隧道试验管体模型时的造波参数调整以及含悬浮隧道试验管体模型时波流耦合作用时波高的实时监测；多普利流速仪沿波浪前进方向布置在悬浮隧道试验管体的两侧，用于测量沿水深的流速变化情况；拉力传感器连接在锚索上，用于测量固体运移装置以及波流耦合作用下锚索的拉力变化情况；位移传感器安装在悬浮隧道试验管体的两侧，通过采用拉线的形式在水下测量悬浮隧道试验管体的两端位移变化情况；加速度传感器安装于悬浮隧道试验管体上方，用于测量悬浮隧道试验管体的动力特性；点压力传感器设置在悬浮隧道试验管体模型封装前的内部，通过在其内表面打孔的形式让点压力传感器采集悬浮隧道试验管体所受的点压力。

进一步，在靠近悬浮隧道试验管体轴向两侧、造波造流装置一侧及金属网状消波装置一侧各自所设的所述电容式波高仪位于同一直线上。便于安装。

进一步，传感器数据采集装置还包括有压力传感器，固体运移装置上并在与悬浮隧道试验管体碰撞接触位置安装所述的压力传感器，便于固体运移装置冲击悬浮隧道试验管体时冲击压力的测量。

本发明还提供一种固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验方法，采用上述的试验装置，该试验方法包括以下步骤：

步骤一：利用电容式波高仪对试验港池的造波参数进行校核及调整，并利用多普勒流速仪对造流参数及波流耦合进行准确性验证；

步骤二：在悬浮隧道试验管体模型封装前安装上点压力传感器，并将悬浮隧道试验管体通过锚索及滑轮装置安装在试验港池中，再安装上拉力传感器、位移传感器及加速度传感器；

步骤三：将固体运移装置安装在桁架拖车装置上，并在固体运移装置上并与悬浮隧道试验管体碰撞接触位置安装上压力传感器；

步骤四：利用造波造流装置进行造波造流，待波流充分耦合作用之后，桁架拖车装置拖拽固体运移装置以匀速或变速冲击悬浮隧道试验管体；

步骤五：利用拉力传感器、位移传感器、加速度传感器、点压力传感器及压力传感器对悬浮隧道试验管体的受力及动力响应数据进行测量，并通过传感器数据采集装置对各传感测量数据进行动态采集。

本发明的工作原理是：首先进行波浪、水流及波流耦合参数的校核调整以及反射波浪的消除处理，以消除或避免港池以及结构物表面的反射波浪对悬浮隧道试验管体的影响，提高试验准确性；再采用多种传感测量装置可对悬浮隧道的受力及动力响应情况实现精确采集，并利用造波造流装置以及桁架拖车，模拟固体运移和波流耦合的共同作用，从而真实有效的模拟水下悬浮隧道在波流、固体冲击等荷载作用下的结构受力及动力响应情况。

本发明的有益效果：

1、本发明的试验装置结构简单、且便于安装，可以真实有效模拟水下悬浮隧道在波流、固体冲击等荷载作用下的结构受力及动力响应情况。

2、本发明的试验装置利用锚索通过滑轮之后与悬浮隧道相连，并根据悬浮深度将管体悬浮于水中，及结合桁架拖车带动固体运移装置匀速运动冲击悬浮隧道试验管体，用以模拟固体运移和波流耦合的共同作用。

3、本发明的试验装置通过桁架拖车带动固体运移装置，可以模拟不同固体运移工况，如沉船、海面坠物、潜艇以及大型海洋生物运移的碰撞冲击。

4、本发明的试验装置通过利用金属网状消波装置，吸收反射波浪的能力来消除反射波浪对悬浮隧道试验管体的影响。

5、本发明的试验装置采用多种传感测量装置可以对悬浮隧道的受力及动力响应情况实现精确采集。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明试验装置的立面布置图；

图2是本发明试验装置的平面布置图；

图3是本发明试验装置中传感器数据采集装置的立面布置图；

附图标记：1-悬浮隧道试验管体，2-锚索，3-固体运移装置，4-电容式波高仪，5-多普勒流速仪，6-拉力传感器，7-位移传感器，8-加速度传感器，9-点压力传感器，10-压力传感器，101-造波造流装置，102-滑轮装置，103-金属网状消波装置，104-桁架拖车装置，105-试验港池；图中箭头为波浪传播方向。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1-2所示，本实施例中提及的一种固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置，主要包括由试验港池105，在试验港池105的一侧设有造波造流装置101，另一相对侧有则设有金属网状消波装置103，而试验港池105上方则有安装上桁架拖车装置104，且桁架拖车装置104上则设有能作用于悬浮隧道试验管体1的固体运移装置3，试验港池105的底部安装有多组滑轮装置102，悬浮隧道试验管体1通过锚索2设置在滑轮装置102上，而试验港池105内的特定位置上安装有传感器数据采集装置，该传感器数据采集装置包含有多种的传感测量装置，用于收集悬浮隧道的受力及动力响应数据。这样，通过造波造流装置与桁架拖车装置相结合，用以模拟固体运移与波流耦合作用，实现悬浮隧道在复杂海洋环境下面临着沉船、海面坠物、潜艇以及大型海洋生物运移碰撞冲击的动力响应试验模拟，可以真实有效模拟水下悬浮隧道在波流、固体冲击等荷载作用下的结构受力及动力响应情况。

具体的，造波造流装置101是由造波系统和造流系统共同组成，并通过控制计算机输入波浪参数，实现多种波浪类型的生成；即：造波系统由一台上位控制计算机、一台运动控制器、十六套驱动系统、四十八套伺服电机、四十八套造波机机架及推波板、控制连接线、一套波高测量系统等部分组成，通过控制计算机输入波浪参数，实现多种波浪类型的生成；而造流系统则是通过控制试验港池105下方的五台双向造流泵来实现正向及逆向造流控制，以模拟复杂海洋环境中波流的耦合作用；桁架拖车装置主要由桁架及设置在桁架上的拖车及驱动机构，使之可以沿试验港池105内的水平及垂直水流方向进行匀速或变速移动，并通过连接固体运移装置3来实现固体运移装置3的移动，从而实现固体运移装置3对悬浮隧道试验管体1的冲击模拟；传感器装置包括港池的造流系统则是通过控制港池下方的5台双向造流泵来实现正向及逆向造流控制，模拟复杂海洋环境中波流的耦合作用。

在本实施例中的试验港池105底部的滑轮装置102用于连接锚索2，便于对悬浮隧道试验管体1的锚索安装以及角度的调整。金属网状消波装置103是由金属网构成，用于吸收波浪能量，消除波浪反射的影响，提高造波准确性。桁架拖车装置104可以沿水平及垂直水流方向进行匀速或变速移动，可以将固体运移装置3安装在桁架拖车装置104上，同时，通过桁架拖车装置104的移动来实现固体运移装置3的移动，进而实现固体运移装置3对悬浮隧道试验管体1的冲击模拟。

再结合图3所示，传感器数据采集装置包含的多种传感测量装置有电容式波高仪4、多普勒流速仪5、拉力传感器6、位移传感器7、加速度传感器8、点压力传感器9以及压力传感器10，用来收集悬浮隧道试验管体1以及锚索2的受力及动力响应情况。具体的，电容式波高仪4分别布置在靠近造波造流装置101一侧，金属网状消波装置103一侧以及悬浮隧道试验管体1前后左右侧，共计六个或六个以上，多普利流速仪5沿波浪前进方向布置在悬浮隧道试验管体1的两侧。拉力传感器6连接在锚索2上，锚索2与滑轮装置102相连。位移传感器7安装在悬浮隧道试验管体1的两侧。加速度传感器8安装于悬浮隧道试验管体1上方。点压力传感器9在悬浮隧道试验管体1模型封装前安装于管体1内部，通过管体模型表面打孔的形式让点压力传感器采集悬浮隧道试验管体所受的点压力。在固体运移装置3与悬浮隧道试验管体1碰撞接触位置安装压力传感器10。

下面介绍下本固体运移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：在试验港池105中安装上电容式波高仪4，对造波造流装置101的造波系统进行参数校核及调整；安装多普勒流速仪5，对造波造流装置101的造流参数以及波流耦合进行准确性验证；

步骤二：悬浮隧道试验管体1模型封装前安装点压力传感器9，将悬浮隧道试验管体1安装在试验港池105中，锚索2通过穿过底部的滑轮装置102与悬浮隧道试验管体1相连，并安装拉力传感器6、位移传感器7以及加速度传感器8；

步骤三：将固体运移装置3安装在桁架拖车装置103上，并在固体运移装置3与悬浮隧道试验管体1碰撞接触位置安装压力传感器10；

步骤四：利用造波造流装置101进行造波造流，待波流充分耦合作用之后，桁架拖车装置104拖拽固体运移装置3以匀速或变速冲击悬浮隧道试验管体1；

步骤五：利用拉力传感器6、位移传感器7、加速度传感器8、点压力传感器9及压力传感器10对悬浮隧道试验管体1的受力及动力响应等各种数据进行测量，并通过传感器数据采集装置对各传感测量数据进行动态采集。

简单而言就是，本试验方法是在试验港池中安装电容式波高仪、多普勒流速仪，通过波高及流速时程变化进行波流耦合参数校核；而将锚索穿过试验港池底部滑轮装置与悬浮隧道试验管体连接，同时安装拉力传感器、位移传感器、加速度传感器以及点压力传感器；将固体运移装置安装在可以调整运行速度的桁架拖车装置上，并安装上压力传感器；利用造波系统进行造波，利用造流系统进行造流，待波流相互作用稳定后，开启桁架拖车装置将固体运移装置以固定速度或可变速度冲击悬浮隧道试验管体，并通过传感器数据采集装置对数据进行动态采集。这样，使得本发明可以真实有效模拟水下悬浮隧道在波流、固体冲击等荷载作用下的结构受力及动力响应情况。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置，包括设置在试验港池(105)内的悬浮隧道试验管体(1)、造波造流装置(101)及传感器数据采集装置，其特征在于，所述试验港池的上方设有桁架拖车装置(104)，所述桁架拖车装置上设有能作用于悬浮隧道试验管体的固体运移装置(3)。

2.根据权利要求1所述的固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置，其特征在于，所述试验港池的一侧设置所述的造波造流装置，另一相对侧布置有金属网状消波装置(103)。

3.根据权利要求2所述的固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置，其特征在于，所述试验港池的底部安装有多组滑轮装置(102)，所述悬浮隧道试验管体通过锚索(2)设置在滑轮装置上。

4.根据权利要求3所述的固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置，其特征在于，所述传感器数据采集装置包括有电容式波高仪(4)、多普勒流速仪(5)、拉力传感器(6)、位移传感器(7)、加速度传感器(8)以及点压力传感器(9)，所述电容式波高仪分别布置在靠近造波造流装置一侧、金属网状消波装置一侧以及悬浮隧道试验管体前后左右侧；所述多普利流速仪沿波浪前进方向布置在悬浮隧道试验管体的两侧；所述拉力传感器连接在锚索上；所述位移传感器安装在悬浮隧道试验管体的两侧；所述加速度传感器安装于悬浮隧道试验管体上方；所述点压力传感器设置在悬浮隧道试验管体内部。

5.根据权利要求4所述的固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置，其特征在于，在靠近悬浮隧道试验管体轴向两侧、造波造流装置一侧及金属网状消波装置一侧各自所设的所述电容式波高仪位于同一直线上。

6.根据权利要求4或5所述的固体运移与波流耦合下悬浮隧道动力响应试验装置，其特征在于，所述传感器数据采集装置还包括有压力传感器(10)，所述固体运移装置上并在与悬浮隧道试验管体碰撞接触位置安装所述的压力传感器。

7.固体运移与波流耦合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1-6任一项所述的试验装置，所述试验方法包括以下步骤：

步骤一：利用电容式波高仪对试验港池的造波参数进行校核及调整，并利用多普勒流速仪对造流参数及波流耦合进行准确性验证；

步骤二：在悬浮隧道试验管体模型封装前安装上点压力传感器，并将悬浮隧道试验管体通过锚索及滑轮装置安装在试验港池中，再安装上拉力传感器、位移传感器及加速度传感器；

步骤三：将固体运移装置安装在桁架拖车装置上，并在固体运移装置上并与悬浮隧道试验管体碰撞接触位置安装上压力传感器；

步骤四：利用造波造流装置进行造波造流，待波流充分耦合作用之后，桁架拖车装置拖拽固体运移装置以匀速或变速冲击悬浮隧道试验管体；

步骤五：利用拉力传感器、位移传感器、加速度传感器、点压力传感器及压力传感器对悬浮隧道试验管体的受力及动力响应数据进行测量，并通过传感器数据采集装置对各传感测量数据进行动态采集。

Images