CN114088344B - 一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及悬浮隧道水动力荷载计算分析技术领域，尤其涉及一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置及方法，包括波浪试验水槽、水槽隔板、悬浮隧道模型，水槽隔板与悬浮隧道模型均安装在波浪试验水槽的内部，波浪试验水槽用于产生波浪，水槽隔板设置在波浪试验水槽的中间段，水槽隔板沿波浪试验水槽的长度方向设置，水槽隔板用于将波浪试验水槽均分为第一槽段与第二槽段，悬浮隧道模型设置在第一槽段的中间区域。本发明中的试验装置质量大小可调节，且试验过程人力消耗少，具有试验过程效率高，试验成本低廉的优点，更符合悬浮隧道的动态属性，通过本试验方法得出的水动力参数结果与采用传统方法得出的静态水动力荷载参数相比预测精度更高。

Description

一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及悬浮隧道技术领域，尤其涉及一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置及方法。

背景技术

目前，在悬浮隧道的设计过程中，准确获得管体所受波浪或水流等复杂环境下的水动力荷载作用及相应的运动响应是非常重要的环节。为确定悬浮隧道管体的水动力荷载，目前主要有Morison公式和绕射理论两类方法。其中，对于水流或相对长波的水动力荷载计算，主要采用Morison公式，该方法假定结构物的尺寸不至于明显影响水动力场，作用在结构上的水动力荷载，包括惯性力和拖曳力，主要取决于无结构物水动力场中水质点的运动速度和加速度。Morison公式考虑了水的黏性和惯性的影响，是一种经验公式法，只需确定两个重要的水动力荷载参数C _d 和C _M （分别为拖曳力系数和惯性力系数），即可求得水动力荷载，方法较为简便，目前在悬浮隧道研究中被广泛采用。因此，正确确定水动力荷载参数C _d 和C _M 对于准确计算水动力荷载作用并获得结构的运动响应至关重要。

而水动力荷载参数C _d 和C _M 的值主要跟悬浮管体结构物的形状、周围的水体流场结构、水动力的强度等密切相关，目前现有的水动力荷载参数C _d 和C _M 值一般在静态水动力试验中测得，即悬浮结构不能因为水动力作用而发生运动，可归纳为一种静态的水动力荷载参数。然而，在复杂波浪水流作用下，悬浮隧道将会发生复杂的各态运动响应，运动状态下的悬浮管体与其周围水体发生强非线性流固耦合作用，将大幅改变原有的水体流场结构及水动力强度，静态的水动力荷载参数测定方法不再适应动态水动力荷载参数的确定。而目前，国内外还没有关于悬浮隧道动态水动力参数C _d 和C _M 值的测定方法。

对此，本申请特提出一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置及方法以解决上述技术问题。

发明内容

本发明提供了一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置及方法，本发明中的试验装置质量大小可调节，且试验过程人力消耗少，具有试验过程效率高，试验成本低廉的优点，更符合悬浮隧道的动态属性，通过本试验方法得出的水动力参数结果与采用传统方法得出的静态水动力荷载参数相比预测精度更高。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，包括波浪试验水槽、水槽隔板、悬浮隧道模型，水槽隔板与悬浮隧道模型均安装在波浪试验水槽的内部，所述波浪试验水槽用于产生波浪，所述水槽隔板设置在所述波浪试验水槽的中间段，水槽隔板沿波浪试验水槽的长度方向设置，所述水槽隔板用于将波浪试验水槽均分为第一槽段与第二槽段，所述悬浮隧道模型设置在第一槽段的中间区域，在第二槽段内安装有水动力要素测试系统，在悬浮隧道模型的内部安装结构响应测试系统，结构响应测试系统包括有水压强传感器、直线位移传感器与加速度传感器，水压强传感器、直线位移传感器与加速度传感器均安装在悬浮隧道模型的内部，结构响应测试系统与水动力要素测试系统均与试验数据同步采集系统相互连接，所述波浪试验水槽的一端安装有造波机，在波浪试验水槽的另一端安装有消波装置，用于吸收波浪试验水槽尾端的波浪。

进一步，所述悬浮隧道模型包括直线导轨与悬浮管体，四条等长度的直线导轨竖向布置，直线导轨利用螺栓固定在所述第一槽段的两个边壁上，四条直线导轨两两相对且安装高度相同。

进一步，所述悬浮管体包括外管环与内管舱，外管环套设在内管舱的外部，外管环包括有上管环与下管环，上管环与下管环相互连接，加速度传感器安装在上管环的上端，用于测量悬浮管体运动时的竖向加速度值，多个水压强传感器围绕设置在外管环的中间位置处且等间距均匀布置，用于测量作用在外管环上的动水压强。

进一步，所述内管舱包括内管和两个配重舱，在内管的外部套设有环形箍，所述外管环与内管舱之间通过环形箍相隔，两个配重舱分别通过螺纹嵌入内管的两端，在配重舱内形成有配重腔体，在配重腔体的内安装有螺杆，在螺杆上挂有多个配重块，在螺杆的末端连接有螺母，用于限制配重块的活动。

进一步，所述配重舱的顶部安装有圆形旋盖，在圆形旋盖与配重舱之间设置有环形防水圈。

进一步，所述直线导轨上滑动连接有多个滚珠滑块，在滚珠滑块的内侧涂抹有润滑油，用于减小其在直线导轨上滑动时的摩擦力。

进一步，所述滚珠滑块的一侧安装有活动板，活动板与所述滚珠滑块之间通过螺栓相互固定连接，活动板的一侧为楔形结构，所述直线位移传感器的固定端安装在直线导轨的顶部，活动端安装在活动板的顶部，且其拉线方向为竖直向下。

进一步，所述活动板的上下两端分别连接有两条竖向弹簧，设置在活动板上端的弹簧与所述直线导轨的顶部连接，设置在活动板下端的弹簧与所述波浪试验水槽的底部相互连接。

一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：首先制作悬浮隧道模型，将悬浮隧道模型安装在波浪试验水槽的第一槽段中间区域，并安装水动力要素测试系统、结构响应测试系统与试验数据同步采集系统；

步骤2：在波浪试验水槽中注水，直至水深达到所述悬浮管体淹没水深的2倍距离时，启动造波机在波浪试验水槽中产生波浪，当波浪传至悬浮隧道模型处时，在波浪的作用下悬浮管体将发生运动，悬浮管体作竖向单自由度运动，通过弹簧拉力，悬浮管体沿竖向围绕其平衡位置作周期性振动；

步骤3：启动试验数据同步采集系统，将水动力要素测试系统、结构响应测试系统在静水状态下进行初始化；

步骤4：利用试验数据同步采集系统实时同步采集水流流速、模型管体动水压强、 运动位移与加速度数据，再利用动态的Morison波浪力计算方程和最小二乘法等方法计算 得到悬浮隧道动态水动力荷载参数C _d 和C _M ，其计算公式为：

，其中，P(n)为悬浮管 体所受惯性力，Q(n)为悬浮管体所受拖曳力，G(n)为悬浮管体所受总水动力，n表示第n时 刻，N表示时间序列总数。

进一步，所述步骤4中利用试验数据同步采集系统采集水流流速、悬浮隧道模型的动水压强、运动位移和加速度数据时，须保证所有数据的采样频率相等，且采样频率不低于50Hz，采样时间大于10个波周期。

本发明的优点在于：本发明提供了一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置及其快速通行方法，具有以下优点：

1.本发明提供了一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，本发明在水槽长度方向设置有一道水槽隔板，可以通过水槽隔板将悬浮隧道模型与水动力测试系统安装在同一试验水槽断面上，保证了水动力作用及管体运动响应的时空一致性，避免了传统测试方法中因二者实测时程曲线相位不相等而无法准确计算水动力荷载参数的情况，提高了参数测试的精度。

2.本发明通过将悬浮管体设计成外管环和内管舱，解决了传统测试方法中无法兼顾管体表面动水压强的测试及管体精密防水的矛盾；同时在内管舱中设置配重仓及标准配重块，可方便实现管体浮重比的调节，可在同一套试验装置中测量多个浮重比所对应的水动力参数。

3.本发明在试验数据同步采集系统中包括有采集模块和同步模块，可实现多类试验数据的准确同步采集，保证了水动力参数测试的准确性。

4.本发明提供了一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验方法，可以直接利用动态水动力试验测量动态的水动力荷载参数C _d 和C _M ，解决了传统采用静态水动力试验测得的水动力荷载参数不符合悬浮隧道运动属性的根本问题，使得悬浮隧道的水动力荷载计算更准确。

5.本发明利用分布式动水压强进行积分计算总水动力的方法代替直接测总水动力的传统方法，避免了单个传感器测量中意外误差的引入风险，提高了测试的稳定性。

6.本发明可以利用二元线性回归的最小二乘法原理计算C _d 和C _M 的值，能获得多组试验数据的全局最优解，提高了水动力参数的适应性。

综上所述，本发明所提供的一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置结构设计新颖，试验装置质量大小可调节，且试验过程人力消耗少，具有试验过程效率高，试验成本低廉的优点，更符合悬浮隧道的动态属性，通过本试验方法得出的水动力参数结果与采用传统方法得出的静态水动力荷载参数相比预测精度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中波浪试验水槽与悬浮隧道模型总体布置主视结构示意图；

图2为本发明中波浪试验水槽与悬浮隧道模型总体布置俯视结构示意图；

图3为本发明中悬浮隧道模型的立体结构示意图；

图4为本发明中悬浮管体的结构示意图；

图5为本发明中悬浮管体的纵向截面结构示意图；

图6为本发明中悬浮管体的爆炸结构示意图；

图7为本发明中悬浮管体内配重舱的结构示意图；

图8为本发明中波浪试验水槽内悬浮隧道模型及水动力要素测试系统布置结构示意图；

图9为本发明中试验数据同步采集系统框图；

图10为本发明中悬浮管体所受动水压强分布示意图；

图11为传统方法与本发明方法所预测的悬浮管体波浪力荷载对比图；

其中：

1、波浪试验水槽； 101、造波机； 102、消波装置；

103、第一槽段； 104、第二槽段； 2、水槽隔板；

3、悬浮隧道模型； 31、直线导轨； 32、滚珠滑块；

33、活动板； 34、弹簧； 35、悬浮管体；

351、外管环； 3511、上管环； 3512、下管环；

352、内管舱； 3521、内管； 3522、配重舱；

3523、配重腔体； 3524、螺杆； 3525、配重块；

3526、螺母； 3527、圆形旋盖； 3528、环形防水圈；

353、环形箍； 4、水动力要素测试系统； 41、浪高仪；

42、流速仪； 5、结构响应测试系统； 51、水压强传感器；

52、直线位移传感器； 53、加速度传感器； 6、试验数据同步采集系统；

61、采集模块； 62、同步模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

图1为本发明中波浪试验水槽1与悬浮隧道模型3总体布置主视结构示意图，图2为本发明中波浪试验水槽1与悬浮隧道模型3总体布置俯视结构示意图，图3为本发明中悬浮隧道模型3的立体结构示意图，如图1，图2与图3所示的一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，包括波浪试验水槽1、水槽隔板2、悬浮隧道模型3，水槽隔板2与悬浮隧道模型3均安装在波浪试验水槽1的内部，本发明中的波浪试验水槽1为一个长槽型盛水容器，在水槽的一端安装造波机101，用于推动波浪试验水槽1中的水产生理想的波浪；在波浪试验水槽1的另一端安装消波装置102，用于吸收尾端的波浪，在波浪试验水槽1的中间段沿波浪试验水槽1长度方向设置一道水槽隔板2，将波浪试验水槽1均分为二个槽段，即：第一槽段103与第二槽段104，水槽隔板2的高度与波浪试验水槽1同高，长度为试验中最大水波波长的3~5倍（波长：两个相邻波峰的距离），水槽隔板2的迎浪侧边为楔形结构，可以最大程度消除水槽隔板2对波浪场的影响；

如图3所示，悬浮隧道模型3放置在第一槽段103的中间区域，悬浮隧道模型3包括直线导轨31、滚珠滑块32、活动板33、弹簧34与悬浮管体35，四条等长度的直线导轨31竖向设置并利用螺栓固定在第一槽段103的两个边壁上，利用水准点校准可使直线导轨31的安装垂直度误差不大于0.5度，四条直线导轨31两两相对，安装高度相同，组成一个长方体结构，在每一条直线导轨31上各安装两个尺寸完全相同的滚珠滑块32，即，在第一槽段103的两个边壁上各安装一组滚珠滑块32，每组各四个，调整各组滚珠滑块32及其对应的直线导轨31位置，直至每组四个滚珠滑块32的工作面均处在同一个平面内，并使得该平面均平行于水槽隔板2，在滚珠滑块32的内侧涂抹有润滑油，以最大程度减小其在直线导轨31上滑动时的摩擦力；

在滚珠滑块32的一侧（工作面）安装有矩形结构的活动板33，采用螺栓将每块活动板33与对应的四个滚珠滑块32进行固定，活动板33的一侧（迎浪侧边）整为楔形结构，可以最大程度消除板对波浪场的影响，活动板33采用有机玻璃板，具有良好的透光性，在活动板33的上沿和下沿各连接等数量等长度的弹簧34，弹簧34自然长度等于0.3~0.4倍的(H0-H1)(其中：H0为水槽的总高度,H1为活动板33的高度)，弹簧34具备适宜的劲度系数k，需满足：10Fzmax < k < 100Fzmin（其中：Fzmax为悬浮管体35所受竖向波浪力最大值，Fzmin为悬浮管体35所受竖向波浪力最小值），设置在活动板33上端的弹簧34与所述直线导轨31的顶端连接，设置在活动板33下端的弹簧34与所述波浪试验水槽1的底部相互连接，安装时需调整所有弹簧34两端的连接点位置，使得四根弹簧34竖直布置，垂直度误差不大于0.5度；在两块活动板33中间固定有悬浮管体35，悬浮管体35的长度恰好等于两块活动板33的间距，可以调整两块活动板33的高度及管体的位置，使得悬浮管体35的轴线正好穿过两块矩形活动板33的中点。

实施例2：

图4为本发明中悬浮管体35的结构示意图，图5为本发明中悬浮管体35的纵向截面结构示意图，图6为本发明中悬浮管体35的爆炸结构示意图，图7为本发明中悬浮管体35内配重舱3522的结构示意图，图8为本发明中波浪试验水槽1内悬浮隧道模型3及水动力要素测试系统4布置结构示意图，如图1，图2，图3，图4，图5与图6，图7与图8所示，悬浮管体35包括外管环351和内管舱352，外管环351和内管舱352的长度相同，中间采用多个完全相同环形箍353分隔，使二者同心，外管环351从直径方向切分为两片相同的管环，即上管环3511和下管环3512；内管舱352包括有一个内管3521和两个配重舱3522，两个配重舱3522通过螺纹嵌入内管3521的两个端部，在螺纹内部注入防水胶防止试验过程中内管3521进水；配重舱3522为圆柱形杯状容器，在配重舱3522内设置有配重腔体3523，在配重腔体3523的轴线处安装有一根螺杆3524，在螺杆3524上挂入多个标准环形配重块3525，在螺杆3524的末端拧入一个螺母3526，以限制配重块3525的活动；在配重舱3522的顶部安装有圆形旋盖3527，圆形旋盖3527的外直径大于内管3521直径，内直径等于配重舱3522内直径，在旋盖与配重舱3522之间设置环形防水圈3528，可以防止试验过程中配重舱3522进水，在试验过程中，可以通过增减配重块3525的个数来改变悬浮隧道模型3的整体重量，配重块3525个数需要对称布置，即悬浮隧道模型3两端的配重块3525个数需相同，以维持悬浮隧道模型3在静水中的平衡；

本发明中的水动力要素测试系统4包括浪高仪41和流速仪42，浪高仪41和流速仪42均安装在第二槽段104内，与所述第一槽段103中悬浮管体35处于相同的位置。其中浪高仪41布置于水面，主要作用是采集波浪试验水槽1中波面过程；流速仪42布置于水中，其测流点正好处于悬浮管体35在悬浮状态时的中轴线的延长线上，主要用于采集波浪试验水槽1中的水流流速。

实施例3：

图3为本发明中悬浮隧道模型3的立体结构示意图，图4为本发明中悬浮管体35的结构示意图，图5为本发明中悬浮管体35的纵向截面结构示意图，图6为本发明中悬浮管体35的爆炸结构示意图，如图3，图4，图5与图6所示，结构响应测试系统5包括水压强传感器51、直线位移传感器52与加速度传感器53，其中水压强传感器51设置有多个，安装在所述悬浮管体35的外管环351上，多个水压强传感器51围绕外管环351的中间截面等间距均匀布置，形成一个同心圆，其受力面朝外，主要用于测量作用在外管环351上的动水压强；直线位移传感器52竖直安装，主要用于测量悬浮管体35运动时的竖向位移值；加速度传感器53布置在外管环351的顶部，其z轴保持竖直，主要用于测量悬浮管体35运动时的竖向加速度值。

实施例4：

图9为本发明中试验数据同步采集系统6框图，图10为本发明中悬浮管体35所受动水压强分布示意图，图11为传统方法与本发明方法所预测的悬浮管体35波浪力荷载对比图。如图9，图10与图11所示，本发明提供了一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置的试验方法，本试验方法首先在波浪试验水槽中生成波浪，在波浪的作用下，悬浮隧道模型3发生上下单自由度周期性振动，连接采集模块61和同步模块62，采集模块61包括水动力要素测试系统4和结构响应测试系统5，并对应接通波高仪41、流速仪42、水压强传感器51、直线位移传感器52及加速度传感器53。在试验采集过程中，同时启动采集模块61和同步模块62，采集模块61用于实时记录各类试验数据，同步模块62用于实现所述波浪、水流、动水压强、位移值、加速度值的同步采集。再利用动态的Morison波浪力计算方程和最小二乘法等方法计算得到悬浮隧道动态水动力荷载参数C _d 和C _M 。主要分为如下三大步骤：

第一步：制作悬浮隧道模型3并开展波浪模拟试验

1.安装试验模型：按照上述步骤制作悬浮隧道模型3，将其安装在波浪试验水槽1的第一槽段103中间区域，并将水动力要素测试系统4、结构响应测试系统5，试验数据同步采集系统6按要求安装就位。

2.波浪模拟试验：在波浪试验水槽中注水，直至水深达到所述悬浮管体35淹没水深的2倍（淹没水深为水面至悬浮管体35最高点的距离）。启动造波机101在水槽中产生波浪，当波浪传至悬浮隧道模型3处时，在波浪的作用下悬浮管体35将发生运动，由于直线导轨31的约束作用，悬浮管体35只能作竖向单自由度运动，同时由于弹簧34拉力提供了回复力，悬浮管体35将沿竖向围绕其平衡位置作周期性振动。

第二步：实时同步采集试验数据

启动试验数据同步采集系统，将水动力要素测试系统、结构响应测试系统在静水状态下进行初始化，即将所有测试物理量设为0。待上述试验中3个波浪经过悬浮隧道模型后，实时同步采集波浪环境下第t时刻的水流流速w(t)、模型管体的动水压强p(t)、管体运动位移z(t)、加速度等数据。所述水流流速、模型管体的动水压强、运动位移、加速度的采样频率须相等，且不低于50Hz，采样时间须大于10个波周期。

第三步：计算悬浮隧道动态水动力荷载参数

1. 计算每一时刻波浪引起的悬浮管体的竖向波浪力F _z (t)

首先建立如图10的坐标系，定义x轴正向为沿水槽长度方向指向水槽的尾端，z轴 竖直向上，坐标原点位于所述悬浮管体的截面圆心；设悬浮管体的外径为D，水压强传感器 的总个数为M，第t时刻第i个水压强传感器侧的动水压强为p _i (t)，与z轴负方向的夹角为θ _i ， 相邻两个传感器则每一时刻波浪引起的悬浮管体竖向波浪力F _z (t)的计算公式为：

。

2. 计算每一时刻波浪环境水质点加速度值α _水（t）

水质点加速度可以通过对实测的水流流速进行求导数而获得，其计算公式如下：

式中n表示第n个时间步(n = 1,2,3…N)，∆f为数据采样 频率,w(t)为波浪环境下第t时刻的水流流速。

3.计算每一时刻波浪引起的悬浮管体竖向运动速度值ν_管(t)

悬浮管体速度可以通过对实测的运动位移进行求导数而获得，其计算公式如下：

。

计算每一时刻水动力参数C _d 和C _M

根据求解静止状态下小尺度杆件波浪力的Morison计算公式，则运动状态下悬浮管体的波浪力计算公式如下：

，其中α _管（t）为 任意t时刻的管体加速度， w(t)为波浪环境下第t时刻的水流流速。

水动力参数则满足下式：

该计算公式为二元一次方程，其中

：

式中，P(t)为任意t时刻悬浮管体所受惯性力，Q(t)为任意t时刻悬浮管体所受拖 曳力，G(t)为任意t时刻悬浮管体所受总水动力，ρ为水的密度，将所有时刻实测或计算得到 的物理量代入方程

，并联立方程

，再利用二元线性回归的最小二乘法原理，可得C _d 和C _M 的计算式为：

，

式中，P(n)为悬浮管体所受惯性力，Q(n)为悬浮管体所受拖曳力，G(n)为悬浮管体所受总水动力，n表示第n时刻，N表示时间序列总数。

如图9所示，如图9所示，试验数据同步采集系统6连接所述采集模块61和同步模块62，采集模量61包括水动力要素测试系统4和结构响应测试系统5，采集模块61用于实时记录各类试验数据，同步模块62用于实现所述波浪、水流、动水压强、位移值、加速度值的同步采集，同步误差须小于10^-4s。

本发明所提供的试验方法与传统方法所预测的水动力荷载对比：

1.设置输入条件为：

悬浮隧道管体直径：0.25mm；

管体淹没水深：0.4m；

浮重比（浮力与重力之比）：1.43；

波浪波高：0.1m；

波浪周期：1.0s、1.1s、1.2s、1.3s、1.4s、1.5s、1.6s;

悬浮结构自振频率：0.84s；

2.预测结果对比：

针对典型的试验周期，上表给出了采用传统方法和本发明预测的不同周期下波浪力结果的定量对比，图11同样给出定性的对比。可以很明显看出，采用本发明提供的方法，预测结果与实测结果非常接近，误差几乎为0，而采用传统方法时，预测结果明显高于实测值，且误差范围在17%~25%之间。从上数对比数据可以充分说明，本发明考虑到悬浮隧道结构在水动力作用下的运动属性而提供的试验方法大幅提高了管体水动力预测的精度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，包括波浪试验水槽（1）、水槽隔板（2）、悬浮隧道模型（3），水槽隔板（2）与悬浮隧道模型（3）均安装在波浪试验水槽（1）的内部，

其特征在于，所述波浪试验水槽（1）用于产生波浪，所述水槽隔板（2）设置在所述波浪试验水槽（1）的中间段，水槽隔板（2）沿波浪试验水槽（1）的长度方向设置，所述水槽隔板（2）用于将波浪试验水槽（1）均分为第一槽段（103）与第二槽段（104），所述悬浮隧道模型（3）设置在第一槽段（103）的中间区域，在第二槽段（104）内安装有水动力要素测试系统（4），在悬浮隧道模型（3）的内部安装结构响应测试系统（5），结构响应测试系统（5）包括有水压强传感器（51）、直线位移传感器（52）与加速度传感器（53），水压强传感器（51）、直线位移传感器（52）与加速度传感器（53）均安装在悬浮隧道模型（3）的内部，结构响应测试系统（5）与水动力要素测试系统（4）均与试验数据同步采集系统（6）相互连接，所述波浪试验水槽（1）的一端安装有造波机（101），在波浪试验水槽（1）的另一端安装有消波装置（102），用于吸收波浪试验水槽（1）尾端的波浪；

一种用于测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：首先制作悬浮隧道模型（3），将悬浮隧道模型（3）安装在波浪试验水槽（1）的第一槽段（103）中间区域，并安装水动力要素测试系统（4）、结构响应测试系统（5）与试验数据同步采集系统（6）；

步骤2：在波浪试验水槽（1）中注水，直至水深达到所述悬浮管体（35）淹没水深的2倍距离时，启动造波机（101）在波浪试验水槽（1）中产生波浪，当波浪传至悬浮隧道模型（3）处时，在波浪的作用下悬浮管体（35）将发生运动，悬浮管体（35）作竖向单自由度运动，通过弹簧（34）拉力，悬浮管体（35）沿竖向围绕其平衡位置作周期性振动；

步骤3：启动试验数据同步采集系统（6），将水动力要素测试系统（4）、结构响应测试系统（5）在静水状态下进行初始化；

步骤4：利用试验数据同步采集系统（6）实时同步采集水流流速、模型管体动水压强、运动位移与加速度数据，再利用动态的Morison波浪力计算方程和最小二乘法等方法计算得到悬浮隧道动态水动力荷载参数C _d 和C _M ，其计算公式为：

，其中，P(n)为悬浮管体所受惯性力，Q(n)为悬浮管体所受拖曳力，G(n)为悬浮管体所受总水动力，n表示第n时刻，N表示时间序列总数。

2.根据权利要求1所述的一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，其特征在于：所述悬浮隧道模型（3）包括直线导轨（31）与悬浮管体（35），四条等长度的直线导轨（31）竖向布置，直线导轨（31）利用螺栓固定在所述第一槽段（103）的两个边壁上，四条直线导轨（31）两两相对且安装高度相同，所述直线位移传感器（52）连接在直线导轨（31）的一侧。

3.根据权利要求2所述的一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，其特征在于：所述悬浮管体（35）包括外管环（351）与内管舱（352），外管环（351）套设在内管舱（352）的外部，外管环（351）包括有上管环（3511）与下管环（3512），上管环（3511）与下管环（3512）相互连接，加速度传感器（53）安装在上管环（3511）的上端，用于测量悬浮管体（35）运动时的竖向加速度值，多个水压强传感器（51）围绕设置在外管环（351）的中间位置处且等间距均匀布置，用于测量作用在外管环（351）上的动水压强。

4.根据权利要求3所述的一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，其特征在于：所述内管舱（352）包括内管（3521）和两个配重舱（3522），在内管（3521）的外部套设有环形箍（353），所述外管环（351）与内管舱（352）之间通过环形箍（353）相隔，两个配重舱（3522）分别通过螺纹嵌入内管（3521）的两端，在配重舱（3522）内形成有配重腔体（3523），在配重腔体（3523）的内安装有螺杆（3524），在螺杆（3524）上挂有多个配重块（3525），在螺杆（3524）的末端连接有螺母（3526），用于限制配重块（3525）的活动。

5.根据权利要求4所述的一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，其特征在于：所述配重舱（3522）的顶部安装有圆形旋盖（3527），在圆形旋盖（3527）与配重舱（3522）之间设置有环形防水圈（3528）。

6.根据权利要求2所述的一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，其特征在于：所述直线导轨（31）上滑动连接有多个滚珠滑块（32），在滚珠滑块（32）的内侧涂抹有润滑油，用于减小其在直线导轨（31）上滑动时的摩擦力。

7.根据权利要求6所述的一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，其特征在于：所述滚珠滑块（32）的一侧安装有活动板（33），活动板（33）与所述滚珠滑块（32）之间通过螺栓相互固定连接，活动板（33）的一侧为楔形结构。

8.根据权利要求7所述的一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，其特征在于：所述活动板（33）的上下两端分别连接有两条弹簧（34），设置在活动板（33）上端的弹簧（34）与所述直线导轨（31）相互连接，设置在活动板（33）下端的弹簧（34）与所述波浪试验水槽（1）的底部相互连接。

9.根据权利要求1所述的一种测定悬浮隧道动态水动力荷载参数的试验装置，其特征在于：所述步骤4中利用试验数据同步采集系统（6）采集水流流速、悬浮隧道模型（3）的动水压强、运动位移和加速度数据时，须保证所有数据的采样频率相等，且采样频率不低于50Hz，采样时间大于10个波周期。

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