具有抗振性能的水中悬浮隧道接头的制作方法

本实用新型是一种水中悬浮隧道接头。

背景技术：

水中悬浮隧道，又称阿基米德桥，其利用浮力支撑隧道体和交通荷载重量，是一种新的穿越水域的交通方式。由于亟待解决的问题尚多，所以目前世界上还未建成一座实用的水中悬浮隧道。但水中悬浮隧道本身所具有的经济、环保、便捷、抗震的特性，注定其必将拥有十分广阔的应用前景。

管段接头是悬浮隧道乃至所有水下结构中十分关键的环节。目前国内外的水下隧道接头设计主要针对沉管隧道、盾构隧道等，并没有专门设计的悬浮隧道接头结构。沉管隧道的管段接头包括中间接头、岸边接头和最终接头，一般情况下，中间接头广泛采用柔性接头，而岸边接头和最终接头则主要选用刚性接头。在港珠澳大桥的建设中，设计者更是创新性地提出了半刚性接头的概念。

然而不同于沉管隧道，水中悬浮隧道通常处于水下十几米至几十米的深度，所处的海洋环境更为复杂。管段的不均匀沉降会导致接头的错动和张开，影响接头受力情况。另外，与陆上交通设施相比，水体作用于悬浮隧道管段所产生的静水压力和附加的动水压力，还会引起结构自振频率与振型的改变并产生附加阻尼。悬浮隧道接头在长期的应力腐蚀和海水化学腐蚀的双重作用下，其关键部件很容易发生损坏，最终威胁整体的安全性能。

申请号为201410010771.9的专利公开了一种沉管隧道柔性接头，包括隧道箱体、刚性钢圈、GINA止水带、止水带连接板、Ω型橡胶止水带、连接螺栓、挡板、钢拉索、水平剪切键和垂直剪切键，两段隧道箱体中间连接一个刚性钢圈，刚性钢圈一端与隧道箱体之间设置一个GINA止水带和橡胶止水带以及钢拉索，其中GINA止水带通过止水带连接板和连接螺栓固定于刚性钢圈，型橡胶止水带则通过连接螺栓两端都固定；刚性钢圈另一端与隧道箱体之间设置一个GINA止水带和两个型橡胶止水带，其中GINA止水带通过止水带连接。该接头结构为柔性接头，应用于沉管隧道，以此专利为代表的现有隧道接头基本都是应用于沉管隧道，无法适用于水下悬浮隧道，不能满足水下隧道受力、密封和抗腐蚀要求等。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有抗振性能的水中悬浮隧道接头，该接头结构具有良好的消能减振特性，能够满足复杂海洋环境下水中悬浮隧道接头所产生的振动和变形。

为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：一种具有抗振性能的水中悬浮隧道接头，包括对接的两个管段，两个管段之间具有接头空间，两管段之间设有减振结构，所述减振结构包括套于相邻两管段外的连接套、将连接套两端与两管段连接的径向预应力拉索、位于两管段内的同轴设置的轴向预应力拉索和位于两管段之间将同轴的轴向预应力拉索拉紧的拉紧装置。

进一步地，其中一个管段的端部开有锥孔，另一个管段的端部由其内外壁之间的区域延伸有锥套，所述锥孔与锥套之间呈契合结构，所述锥套以内构成两管段端面之间的接头空间。

进一步地，所述锥孔与锥套之间设有减振垫层，所述减振垫层内部设有减振弹簧。

进一步地，所述减振结构还包括位于两管段接头空间内的柔性填充层和位于柔性填充层内圈的耐火板。

进一步地，所述柔性填充层内设有M型钢桁架结构。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头，与传统沉管隧道接头相比，设置了轴向和径向预应力拉索，能够满足复杂海洋环境下水中悬浮隧道接头所产生的振动和变形，并且还可以保证GINA橡胶止水带不会由于错动而发生渗漏。

2、本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头，采用契合结构使接头具有一定的定位功能，比传统结构更便于安装，同时为径向预应力拉索提供了安装平台，在契合结构中设置减振垫层，不仅可以起到消能减振的目的，通过胶接还能起到一定的防水作用，保护下部的GINA止水带。

3、本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头，聚氨酯弹性连接套和剪力键共同作用承担接头处的剪力并限制管段之间的相对位移，避免接头发生较大变形时内部的轴向预应力拉索无法满足GINA止水带的最小压缩止水要求而导致接头发生渗漏水。

4、本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头，接头内部采用钢筋混凝土键并填充有柔性填充物，使接头呈刚性的同时具备一定的柔性，且结合轴向预应力限位拉索，保证了接头强度。

附图说明

图1为本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头的径向截面视图；

图2为本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头的轴向局部截面视图；

图3为本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头中的连接套的立体示意图；

图4为图1中的减振垫层的放大示意图；

图5为本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头中的减振垫层的截面立体示意图；

图6为本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头中的磁流变弹性支座的结构示意图；

图7为本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头中的防水带的立体示意图；

图8为本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头中的接头内部的密封结构；

图9为本实用新型的具有抗振性能的水中悬浮隧道接头中用以连接两个M型钢桁架结构的连接板的径向投影视图；

图中：

1-左管段：101-锥套、102-锥套底面、103-锥套顶面；

2-右管段：201-锥孔、202-锥孔底面；

3-减振结构：301-连接套、302-径向预应力拉索、303-固定端锚环、304-轴向预应力拉索、305-拉紧装置、306-减振垫层、307-减振弹簧、308-耐火板、309-柔性填充层、310-M型钢桁架结构、311-剪力键、312-连接板、313-凹槽；320-磁流变弹性支座、321-金属压板、322-励磁线圈、323-弹性层、324-滑动层、325-金属板、326-绝缘保护罩、327-振动传感器；

4-密封结构：401-端钢壳、402-GINA止水带、403-防水带、404-凸环、405-OMEGA止水带、406-钢罩壳。

具体实施方式

如图1所示，水中悬浮隧道位于水面10以下，隧道下方连接有张力腿11，张力腿11通过锚固结构12锚固在水域底部，隧道内铺设路面13，以供车辆和行人通过。隧道由若干同轴设置的管段相互对接而成，相邻两管段之间的对接部位称为接头。

以相邻的左、右管段1、2的接头结构为例来对本发明的水中悬浮隧道接头结构进行阐述。图2示出了左、右管段1、2接头部位的轴向局部剖视图。左、右管段1、2同轴并具有相同的内外径，左管段1的右端为外表面呈锥面的锥套101，锥套101的内外表面径向位于左管段1的内外壁之间，右管段2的左端开有与锥套101外壁相适应的锥孔201，锥孔201与右管段2的内壁呈阶梯孔，即锥孔201的右端没有径向延伸至与右管段2内壁。左、右管段1、2之间通过锥套101与锥孔201之间锥面的契合结构来对接，便于安装时左、右管段之间的定位。锥套底面102与锥孔底面202之间具有轴向间隙，该轴向间隙与锥套101内表面及左、右管段1、2内壁所在圆周面之间构成左、右管段1、2之间的环形接头空间。当然左、右管段之间也可以采用位于各自端部的竖直平面来直接对接，由竖直平面上的凹面来形成接头空间。

一对同轴设置的轴向预应力拉索304于接头空间内分别向左、向右穿入至左、右管段1、2内，位于左、右管段1、2之间的拉紧装置305将该对轴向预应力拉索304拉紧，拉紧装置305与两侧的轴向预应力拉索304采用花篮螺丝的方式连接，轴向预应力拉索304可以为周向均布的多对，每对轴向预应力拉索304均对应一个拉紧装置305。通过轴向预应力拉索304使接头结构能够抵抗水下轴向振动和变形。锥套底面102与锥孔底面202对应接头空间径向靠外的部位上分别设有一个端钢壳401，两个端钢壳401之间设有由天然橡胶制成的GINA止水带402，端钢壳401和GINA止水带402均为环状并径向位于轴向预应力拉索304以内。左、右管段1、2对接时先将GINA止水带402安装在其中一个端钢壳401上，对接后，两个端钢壳401可对GINA止水带402轴向两端施加一定的压力，GINA止水带402与两个端钢壳401之间呈密封压紧状态，这样GINA止水带402就可以对接头部位进行防水密封。

轴向预应力拉索304、拉紧装置305作为减振结构3对接头进行减振防变形。由端钢壳401和GINA止水带402作为密封结构4对接头进行防水，使得接头满足抗振、防水要求。

为了进一步提高隧道接头的减振抗振能力，减振结构3还包括连接套301和径向预应力拉索302。图3为连接套301的立体示意图，连接套301由聚氨酯等弹性材料浇筑而成，硬度为邵氏60D～75D，为便于安装连接套301周向分为两片，两片之间采用高强螺栓连接，当然也可以根据工况将连接套301设置成一片或者任意多片。连接套301套于左、右管段1、2外并与左、右管段1、2粘接，连接套301的左、右两端通过径向预应力拉索302与左、右管段1、2锚接，如图2的左侧所示，连接套301的内壁上预埋有固定端锚环303，径向预应力拉索302一端与固定端锚环303连接，另一端沿左管段1径向穿入至左管段1内，径向预应力拉索302可以沿左管段1周向均匀布置多个，这样就实现了连接套301与左管段1的锚接，连接套301与右管段2之间采用同样的方式锚接，径向预应力拉索302使得水中悬浮隧道接头能够抵抗径向振动和变形。

如图4和图5所示，锥套101与锥孔201之间设有减振垫层306，减振垫层306内部均设有若干减振弹簧307。减振垫层306基体材料为高阻尼橡胶，减振弹簧307在减振垫层306内部按矩阵阵列形状等距离铺设，减振垫层306表面采用氯化法处理以引入极性官能团并增大垫层表面粗糙度，便于锥套101、锥孔201与减振垫层306之间的胶接。减振垫层306及其内部的减振弹簧307设置在接头的契合区域，增加了锥套101与锥孔201契合区域的弹性抗振能力。

减振结构3还包括径向位于锥套101以内、两端分别与锥套底面102与锥孔底面202的耐火板308和填充于耐火板308与锥套101内表面之间的柔性填充层309。耐火板308径向为接头结构的最内圈，将接头空间封闭起来。柔性填充物309具体可以是聚氨酯弹性体或丁腈橡胶增韧的环氧树脂，柔性填充层309增加了接头的柔性。柔性填充层309内设有两个同轴的M型钢桁架结构310，两个M型钢桁架结构310相对外端分别与左、右管段1、2连接，两个M型钢桁架结构310的相对内端通过连接板312及高强螺栓410连接，连接板312及高强螺栓410的径向视图见图9。M型钢桁架结构310使接头呈柔性的同时具备一定的刚性，M型钢桁架结构310结合轴向预应力拉索304，保证了接头强度。

图1所示，锥套101的顶面103和锥孔底面202上周向均布有六个剪力键311，两个面上的剪力键311相互嵌合，剪力键311增强了接头的抗振性。

锥套101的顶面103和锥孔底面202之间还设有六个与剪力键311等圆周分布的磁流变弹性支座320，磁流变弹性支座320与剪力键311等角度间隔，如图6所示，磁流变弹性支座320包括金属压板321、励磁线圈322、弹性层323、滑动层324和金属板325，其中：金属压板321数量为两个，分别位于顶面103和锥孔底面202上，励磁线圈322也是两个，分别位于左、右管段1、2内与相应的金属压板321连接并形成回路，金属压板321及相应的励磁线圈322由分别位于左、右管段内的绝缘保护罩326包围起来；弹性层323和滑动层324由磁流变弹性材料制成，分别连接在两个金属压板321相对的侧面上；金属板325则位于弹性层323和滑动层324之间。端面103和锥孔底面202上对应金属压板321的外围设有若干个振动传感器327。振动传感器327测量左、右管段1、2接头部位的振动情况，然后将振动信号传递给外设的控制器，控制器根据振动信号来控制励磁线圈322的电流从而励磁线圈322产生不同大小的磁场，磁场通过金属压板321传递给弹性层323和滑动层324，当弹性层323和滑动层324内的磁场发生变化时，弹性层323和滑动层324刚度也会发生变化，并且分别可以轴向压缩和径向位移，金属板325则对弹性层323和滑动层324的自由变形进行约束，这样由弹性层323、金属板322和滑动层324构成的磁流变弹性体就可以对接头起到良好的隔振减振效果。另外，连接套301为聚氨酯弹性管，在磁场作用下，也可改变自身的刚度，从而改变左、右管段接头结构的刚度，当环境荷载发生急剧变化时，可通过励磁线圈激发磁场，有效保护接头不受损坏。

下面对接头中的密封结构4作进一步的说明。密封结构4除了包括前述的由端钢壳401和GINA止水带402构成的第一道防水结构外，还包括位于连接套301与左、右管段1、2之间的防水带403，防水带403轴向位于连接套301内并覆盖左、右管段1、2的契合区域，防水带403采用天然橡胶，整周环绕于左右管段接头处，并通过高强螺栓410与左、右管段的壁部紧固连接，防水带403上的螺栓孔采用双组分聚硫密封胶密封，防水带可以对接头外圈进行防水，而连接套301可对防水带403进行一定的保护。

图7为防水带403的立体示意图，如图所示，防水带403对应左、右管段契合区域外的两端分别设有一个沿其圆周方向环绕的截面呈梯形的凸环404，凸环404嵌入连接套301上对应凸环位置的凹槽313(见图3)内。两道梯形截面凸环404填充于连接套301的凹槽内可进一步起到防水作用。防水带403作为第二道防水结构，可以充分保障不会从接头外圈发生渗水，同时，当外部连接套301由于意外情况发生损坏，从外部直接移除连接套301进行更换时防水带403能短时间内保障隧道不渗水。

图8示出了接头内部密封结构的示意图，接头内部除了端钢壳401和GINA止水带402外，密封结构4还包括连接两端钢壳401径向相对靠里的内端面的OMEGA止水带405以及将OMEGA止水带405罩住的钢罩壳406，OMEGA止水带405及钢罩壳406位于M型钢桁架结构310以外，OMEGA止水带405可以对接头进行第三道防水。

为了以避免海水和海洋微生物腐蚀，可以在端钢壳401、钢罩壳406、防水带403和连接套301的表面涂覆超厚膜环氧防腐涂料，高强螺栓410表面涂覆聚氨酯防腐涂料。

左、右管段1、2接头的安装过程如下：在陆地上预制左、右管段1、2，端钢壳401、减振垫层306预先安装在左、右管段1、2上，GINA止水带402也预先安装在左管段1的端钢壳上，然后左、右管段1、2相对的端部采用临时隔离壁封闭并进行水下对接，对接后左、右管段1、2上剪力键311嵌合，GINA止水带402被两侧的端钢壳401压紧以形成周向防水，将接头内中的蓄水排除，并拆除临时隔离壁，随后进行OMEGA止水带405和钢罩壳406的安装，并对OMEGA止水带405进行封闭检测。随后在接头空间内部进行M型钢桁架结构310布设和轴向预应力拉索304、柔性填充层309以及耐火板308等部件的安装，最后在左、右管段1、2外部布设防水带403和连接套301，这样就完成了接头部位的安装。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。