一种悬浮隧道物理模型试验装置及试验方法与流程

本发明涉及悬浮隧道技术领域，特别涉及一种悬浮隧道物理模型试验装置及试验方法。

背景技术：

水中或海中悬浮隧道，又称阿基米德桥，是一种潜浮于水面下一定深度、利用其自身浮力为支撑，通过锚索、桩柱等固定的一种新型跨水域交通方案。对于水域跨度很大或地质不稳定以至于不宜建造桥梁和水底隧道的地区，或有环境保护要求地区，采用阿基米德桥是跨越水域交通连接的优选方案。目前世界上仍然没有一座建成的水中或海中悬浮隧道。对于这种新型的交通结构来说，进行针对性的模型试验，通过对研究悬浮隧道的结构动力特性、验证结构安全性是十分重要的，能够为后续悬浮隧道提供可靠的设计与建造依据。

当前有关悬浮隧道的物理模型试验一般都没有考虑试验节段的真实刚度，而是简单地通过固定式或锚拉式进行模拟，这样试验得到的结果往往没有覆盖工程实际刚度以及自振频率，固定式物模试验得到的刚度值往往比实际刚度大，锚拉式物模试验得到的刚度值往往比实际刚度小。虽然整体式模型可以考虑结构刚度和质量，但是模型工况有限，也不能覆盖所有的设计工况。

物理模型的刚度作为悬浮隧道物模试验的基本输入，刚度的不准确性会对模拟结果的准确性造成极大的影响，因此有必要研究一种可以反映悬浮隧道真实刚度的物理模型试验装置及试验方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种悬浮隧道物理模型试验装置及试验方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种悬浮隧道物理模型试验方法，包括以下步骤：

步骤一：计算悬浮隧道原型的整体/某一节段的真实刚度k0；

步骤二：根据相似准则，将所述真实刚度k0按照比尺换算成物理模型的模型刚度k1，并通过弹性件来对模型刚度k1进行模拟；

步骤三：将所述物理模型放置至水池中进行试验。

本发明首先通过理论计算得到悬浮隧道原型的真实刚度k0，并按照真实刚度值和相似准则，对物理模型的模型刚度k1进行配置，使得模型刚度k1能反映原型真实刚度k0，再将能反映真实刚度k0的模型刚度k1作为输入量进行物模试验，从而保证了各种物模试验的试验结果的准确性。

优选的，所述步骤一中，真实刚度k0的计算方法包括刚度定义法，可以根据悬浮隧道在某一自由度方向所受的力以及发生的位移得到该悬浮隧道的刚度值k0，刚度等于发生单位位移时对应的力：

其中，k0-真实刚度；f-在某一自由度方向所受的力；δ-在某一自由度方向发生的位移。

优选的，所述步骤一中，真实刚度k0的计算方法包括等效固有振频法，可以根据悬浮隧道在空气中或者在水中的第n阶固有频率，以及重量计算得到该悬浮隧道的刚度值k0：

其中，k0-真实刚度；m-重量；t-在空气中或者在水中的第n阶固有频率，n＝1～99。

优选的，所述步骤二中，所述相似准则包括柯西相似准则、重力相似准则和应变相似准则。

优选的，所述步骤二中，所述弹性件为弹簧，或缆索上串联弹簧。锚索的作用是让水深真实，弹簧的作用是让刚度真实，两者的结合，可以让物理模型反应真实情况。

优选的，所述步骤二中，所述弹簧包括水平弹簧、竖向弹簧和斜向弹簧，从而能真实模拟悬浮隧道各个方向的刚度。

优选的，所述步骤二中，所述弹簧还包括扭转弹簧，通过扭转弹簧可以直接模拟扭转刚度。

优选的，所述步骤一中，将所述真实刚度k0按照比尺换算成物理模型的模型刚度k1时，首先确定物模模型在水平和竖向的刚度，再确定物理模型的扭转刚度。首先，按照比尺，计算得到物理模型的模型刚度k1，水平弹簧、竖向弹簧就按照模型刚度k1来配置。如果水平弹簧、竖向弹簧兼用作提供扭转刚度，根据原型扭转刚度缩比尺计算物理模型的扭转刚度，并用物理模型所需的扭转刚度分别除以每个弹簧的刚度，得到力臂，再将弹簧按照力臂距离进行设置。如此，水平弹簧、竖向弹簧就可以同时兼顾水平刚度、竖向刚度和扭转刚度的模拟。另外一个办法就是直接设置扭转弹簧。

优选的，所述步骤三中的试验包括静水衰减试验、波浪试验和涡激振动试验，不限于上述三种，凡是与悬浮隧道相关的物理模拟试验均适用本发明的试验装置与试验方法。

本发明还公开了一种悬浮隧道物理模型试验装置，包括所述的水池以及物理模型，所述物理模型通过弹性件与浮筒/水池/固定块/底座/悬挂支架相连接，所述弹性件的刚度为真实刚度k0按照相似准则换算得到的模型刚度k1。其中，所述浮筒漂浮在水池水面上，所述固定块固定在水池壁上，所述底座放置在水池池底，所述悬挂支架固定在水池水面上方。

本发明物理模型的模型刚度k1按照真实刚度k0进行配置，使得模型刚度k1能反映真实刚度k0，再将能反映真实刚度k0的模型刚度k1作为输入量进行物模试验，从而保证了各种物模试验的试验结果的准确性；且本发明所述试验装置结构简单，通过调节弹性件的弹性模量能快速调整模型刚度，能快速、有效的还原悬浮隧道的真实刚度。

优选的，所述弹性件为弹簧，或缆索上串联弹簧，所述弹簧包括水平弹簧、竖向弹簧和斜向弹簧。锚索的作用是让水深真实，弹簧的作用是让刚度真实，两者的结合，可以让物理模型反应真实情况。

优选的，所述弹簧还包括扭转弹簧，通过扭转弹簧可以直接模拟扭转刚度。

优选的，所述弹性件上设有质量块，通过质量块可以使得弹性件的质量更加真实。

优选的，所述弹性件上设有测力计和拉力调节器。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明首先通过理论计算得到悬浮隧道原型的真实刚度k0，并按照真实刚度值和相似准则，对物理模型的模型刚度k1进行配置，使得模型刚度k1能反映原型真实刚度k0，再将能反映真实刚度k0的模型刚度k1作为输入量进行物模试验，从而保证了各种物模试验的试验结果的准确性。

本发明所述试验装置结构简单，通过调节弹性件的弹性模量能快速调整模型刚度，能快速、有效的还原悬浮隧道原型的真实刚度。

附图说明：

图1是本发明所述的一种悬浮隧道物理模型试验方法的流程示意图。

图2是本发明所述的悬浮隧道的截面图一。

图3是本发明所述的悬浮隧道的截面图二。

图4是本发明所述的悬浮隧道的截面图三。

图5是本发明所述的悬浮隧道的截面图四。

图6是本发明所述的悬浮隧道的截面图五。

图7是本发明所述的悬浮隧道的截面图六。

图8是本发明所述的悬浮隧道的截面图七。

图9是本发明所述的悬浮隧道的截面图八。

图10是本发明所述的悬浮隧道的截面图九。

图11是本发明所述的悬浮隧道的截面图十。

图12是本发明所述弹簧的布置图一(正视图)。

图13是本发明所述弹簧的布置图二(正视图)。

图14是本发明所述弹簧的布置图三(正视图)。

图15是本发明所述弹簧的布置图四(正视图)。

图16是本发明所述弹簧的布置图五(俯视图)。

图17是本发明所述弹簧的布置图六(俯视图)。

图18是本发明所述弹簧的布置图七(正视图)。

图19是本发明所述弹簧的布置图八(正视图)。

图20是本发明所述弹簧的布置图九(正视图)。

图21是本发明所述弹簧的布置图十(正视图)。

图22是本发明所述弹簧的布置图十一(正视图)。

图23是本发明所述弹簧的布置图十二(正视图)。

图24是本发明所述弹簧的布置图十三(正视图)。

图25是本发明所述弹簧的布置图十四(正视图)。

图26是本发明所述弹簧的布置图十五(正视图)。

图27是本发明所述弹簧的布置图十六(正视图)。

图28是本发明所述弹簧的布置图十七(正视图)。

图29是本发明所述弹簧的布置图十八(正视图)。

图30是本发明所述弹簧的布置图十九(正视图)。

图31是本发明所述弹簧的布置图二十(正视图)。

图32是本发明所述弹簧的布置图二十一(俯视图)。

图33是本发明所述弹簧的布置图二十二(俯视图)。

图34是本发明所述弹簧的布置图二十三(正视图)。

图35是本发明所述弹簧的布置图二十四(俯视图)。

图36是本发明所述弹簧的布置图二十五(正视图)。

图37是本发明所述弹簧的布置图二十六(三维图)。

图38是本发明实施例8所述的一种悬浮隧道物理模型试验装置的正视图。

图39是本发明实施例8所述的一种悬浮隧道物理模型试验装置的三维示意图。

图40是本发明实施例9所述的一种悬浮隧道物理模型试验装置的正视图。

图41是本发明实施例9所述的一种悬浮隧道物理模型试验装置的三维示意图。

图42是本发明实施例10所述的一种悬浮隧道物理模型试验装置的正视图。

图43是本发明实施例10所述的一种悬浮隧道物理模型试验装置的三维示意图。

图44是本发明实施例11所述的一种悬浮隧道物理模型试验装置的正视图。

图中标记：1-物理模型，2-水池，3-水平弹簧，4-竖向弹簧，5-斜向弹簧，6-缆索，7-测力计，8-拉力调节器，9-浮筒，10-扭转弹簧，11-阻尼器，12-固定块，13-底座，14-悬挂支架，15-数据传输线，16-质量块。

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所示，一种悬浮隧道物理模型试验方法，包括以下步骤：

步骤一：计算悬浮隧道原型的整体/某一节段的真实刚度k0。真实刚度k0的计算方法包括刚度定义法和等效固有振频法。

刚度定义法中刚度等于发生单位位移时对应的力，

其中，k0-真实刚度；f-在某一自由度方向所受的力；δ-在某一自由度方向发生的位移。

等效固有振频法中根据固有频率的计算公式：

得到

其中，k0-真实刚度；m-重量；t-在空气中或者在水中的第n阶固有频率，n＝1～99。

步骤二：根据相似准则(包括柯西相似准则、重力相似准则和应变相似准则)，将所述真实刚度k0按照比尺换算成物理模型的模型刚度k1，并通过弹性件来对模型刚度k1进行模拟。所述弹性件为弹簧，或缆索上串联弹簧。所述弹簧包括水平弹簧、竖向弹簧和斜向弹簧，也可以包括扭转弹簧。

步骤三：将所述物理模型放置至水池中进行试验，包括静水衰减试验、波浪试验和涡激振动试验等。

实施例2

一种悬浮隧道物理模型试验装置，包括悬浮隧道某一节段的物理模型1，所述悬浮隧道可以具有不同的截面形状，如图2-图11所示，不限于圆管式构造，所述物理模型1根据相似准则对悬浮隧道进行模拟。所述物理模型1上设有弹性件，所述弹性件的刚度为悬浮隧道的真实刚度k0按照相似准则换算得到的模型刚度k1。

在本实施例中，所述物理模型1通过弹性件与水池2相连接，所述弹性件为弹簧，所述弹簧包括水平弹簧3和竖向弹簧4。弹簧的布置形式多种多样，可根据悬浮隧道的真实刚度进行配置，以圆管截面为例，如图12-图17所示。

需要模拟悬浮隧道原型一个节段的水平向、竖向、绕着轴线转动(扭转)这三个方向的刚度时，方法是先确定水平刚度和竖向刚度，再确定转动方向的刚度。首先，根据水平向和竖向在悬浮隧道原型的真实刚度k0，按照比尺，计算得到物理模型1的模型刚度k1，水平弹簧3、竖向弹簧4就按照模型刚度k1来配置。如果水平弹簧3、竖向弹簧4兼用作提供扭转刚度，根据原型扭转刚度缩比尺计算物理模型1的扭转刚度，并用物理模型1所需的扭转刚度分别除以每个弹簧的刚度，得到力臂，再将弹簧按照力臂距离进行设置。如此，水平弹簧3、竖向弹簧4就可以同时兼顾水平刚度、竖向刚度和扭转刚度的模拟。另外一个办法就是直接设置扭转弹簧10，如图18-图25所示，扭转弹簧10的设置形式也是多种多样，可根据真实刚度进行配置。

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于，所述物理模型1上的部分弹簧与浮筒9相连接，剩余弹簧与所述水池2相连接，如图26-图29所示。

实施例4

本实施例与实施例2的区别在于，所述物理模型1还通过阻尼器11与水池2相连接，所述阻尼器11用于模拟真实环境，如图30-图33所示。

实施例5

本实施例与实施例2的区别在于，所述物理模型1不直接与水池2相连接，而是在水池底部或水池壁设置有若干个固定块12，所述物理模型1通过弹性件与所述固定块12相连接，如图34-图35所示。本实施例通常适用于物理模型长度略小于水槽净宽，物理模型浸没于水中的情况。

实施例6

本实施例与实施例2的区别在于，所述物理模型1不直接与水池2相连接，所述物理模型1通过弹簧悬挂在悬挂支架14上，如图36所示。

实施例7

本实施例与实施例2的区别在于，所述物理模型1不直接与水池2相连接，而是所述水池2中设有底座13，所述物理模型1通过弹簧与所述底座13相连接，如图37所示。本实施例通常适用于物理模型长度小于水槽净宽，或物理模型放置于水池中的情况。

实施例8

如图38-图39所示，一种悬浮隧道物理模型试验装置，包括水池2以及悬浮隧道整体的物理模型1，所述物理模型1通过弹性件与水池2相连接，所述弹性件的刚度为所述真实刚度k0按照相似准则换算得到的模型刚度k1。所述弹性件为缆索6上串联弹簧，所述弹簧包括竖向弹簧4和斜向弹簧5，所述斜向弹簧5能同时提供水平和竖直方向的刚度。

在所述缆索6上还串联有测力计7、拉力调节器8，所述测力计7上连接有数据传输线15，所述数据传输线15与数据拉力处理装置相连接。

实施例9

如图40-图41所示，本实施例与实施例8的区别在于，所述弹簧仅包括竖向弹簧4，通过竖向弹簧4来模拟悬浮隧道在竖向方向的刚度。

实施例10

如图42-图43所示，本实施例与实施例8的区别在于，所述物理模型1不直接与水池2相连接，所述物理模型1通过弹性件与浮筒9相连接，所述弹性件为缆索6上串联有竖向弹簧4，通过竖向弹簧4来模拟悬浮隧道在竖向方向的刚度。

实施例11

如图44所示，本实施例与实施例8的区别在于，所述弹性件上还设有质量块16，通过质量块16可以使得弹性件的质量更加真实。

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。