悬浮隧道锚索失效及连续倒塌动力响应试验装置的制作方法

本发明涉及悬浮隧道技术领域，特别是一种悬浮隧道锚索失效及连续倒塌动力响应试验装置。

背景技术：

悬浮隧道，也被称为“阿基米德桥”，是一种跨越长深水域的创新性交通结构物，悬浮隧道是由隧道管体、锚索、基础及两岸连接物等组成，其中，锚索主要是用于将隧道管体连接到海底，与锚基础共同构成锚泊系统，所有外载荷都由锚泊系统承担，可见锚索对于悬浮隧道的施工和运营起到了至关重要的作用。但由于悬浮隧道长期处于外海海洋环境中，锚索将会在波流荷载、地震、腐蚀、磨损或潜艇撞击等复杂因素下，出现锚索横截面损失，甚至会发生破断现象，即锚索失效。一旦锚索失效发生，隧道体系原有的平衡状态将会被打破，容易出现锚泊张紧松弛现象，严重威胁其正常的施工和运营。更值得强调的是，锚索失效后可能还会引起整个悬浮隧道连续性倒塌，即局部失效引起整体结构的破坏，这将会对整个隧道带来灾难性的后果，而且在复杂的外海深水环境下安全处置难度极大，面临着一系列科学、技术和工程问题。可见对悬浮隧道锚索失效及其连续倒塌的动力响应分析是不容忽视的，需要我们深入的研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种悬浮隧道锚索失效及连续倒塌动力响应试验装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种悬浮隧道锚索失效及连续倒塌动力响应试验装置，包括试验水槽、试验模型管体、锚泊系统和锚索连续倒塌装置，所述试验模型管体通过所述锚泊系统安装在所述试验水槽内，所述锚泊系统包括锚索和缆索拉紧器，所述缆索拉紧器安装在所述锚索上，所述缆索拉紧器用于调节所述锚索，从而改变所述锚索的初始张拉应力，所述锚索连续倒塌装置包括多个锚索破断触发装置，每个所述锚索破断触发装置安装在所述锚索上，所述锚索破断触发装置包括张力传感器和控制电路装置，所述张力传感器用于对所述锚索的张力进行监测，所述控制电路装置和所述张力传感器相连接，所述控制电路装置用于根据所述张力传感器测得的张力值对所述锚索进行破断。

现有的通过气压的增减来达到锚索断缆效果的试验装置，存在一定的时间延迟，不能实现力控和时控断缆，因此不能在试验中模拟悬浮隧道锚索发生瞬时破断后的动力响应。本发明所述的动力响应试验装置通过张力传感器实时监测数据，通过控制电路装置控制通断电，来实现锚索瞬时断缆效果，从而提高数据采集的真实性和准确性，可以在试验中模拟悬浮隧道锚索发生瞬时破断后的动力响应；且所述锚索破断触发装置结构简单，安装操作方便，锚索断缆触发条件可以自我调整，从而可以实现不同锚索张力的断裂试验，可以重复性使用，成本低。

进一步的，通过设置多组张力传感器和控制电路装置，可以实现悬浮隧道连续倒塌效果，真实模拟和分析锚索连续失效后的剩余系统的瞬时动力响应，为悬浮隧道设计和建造提供了参考。

进一步的，所述缆索拉紧器可以采用花篮螺丝。

作为本发明的优选方案，所述控制电路装置包括安装在所述锚索上的失电型电磁铁和铁块，锚索的一端连接有失电型电磁铁，另一端连接有铁块，且所述失电型电磁铁连接有比较电路，所述比较电路包括电压比较器、继电器和电阻，所述比较电路通过所述电压比较器输出高低电平，控制所述继电器的开合，继而控制所述失电型电磁铁的磁性。

在张力传感器数显仪表上可以观测其张力值，而且张力传感器外接一个控制电路装置，该装置先利用电压比较器的作用实现断电或通电，再通过继电器的作用实现失电型电磁铁有磁性或无磁性，从而铁块将与电磁铁吸附和分开作用，分开则表示锚索断开，即实现断缆的控制功能。锚索破断的触发条件为设定的锚索失效阈值张力，当张力没有达到设定值时，继电器无法开始工作，失电型电磁铁表现为有磁，失电型电磁铁与铁块吸在一起，锚索处于正常状态。当张力达到设定值时，继电器开始工作，失电型电磁铁表现为无磁，失电型电磁铁与铁块分离，从而控制断缆的发生。

张力传感器采用电阻式应变式张力传感器，其由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到外界拉力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，电阻值会发生变化。

通电型电磁在持续通电的情况下才能保持磁性，但持续通电会使通电型电磁铁发热，磁性会降低，而失电型电磁铁可以长时间保持磁性。

作为本发明的优选方案，所述比较电路结构如下：记张力传感器电阻应变片电阻值为rz，电阻值rz随着外力大小改变而改变，其改变值的大小正比于所受张力的大小。当5v电压加在应变片电阻值rz及电阻r1上时，在a点有一个电压va，当锚索的张力增大时，则电阻片rz的阻值下降，使va上升。当锚索张力达到设定某一值时，这张力值即设定的阈值张力fth。电阻r2与滑动电阻片电阻rp组成分压器，调节rp可以改变vb的电压，vb值为比较器设定的阈值电压，称为vth。当锚索的张力一旦超过阈值张力fth时，va＞vth，则比较器输出低电平，继电器k吸合，失电型电磁铁通电失去磁性，使失电型电磁铁与铁块分离，从而达到锚索破断的目的。

作为本发明的优选方案，所述动力响应试验装置还包括有传感测量仪器，所述传感测量仪器包括陀螺仪和非接触式应变位移测量装置。

所述陀螺仪安装在所述试验模型管体的重心位置，利用陀螺仪可以测量围绕轴的旋转角速度，并通过推导得到围绕轴的旋转角度，对试验模型管体重心位置处的空间姿态进行计算，从而可以计算出悬浮隧道试验模型的转动量。陀螺仪能够精确测量悬浮隧道重心的转动量，通过测量试验模型管体的角速度，从而判别试验模型管体的三个转动状态，即纵摇、横摇和首摇，陀螺仪具有体积小，结构简单，精度高等优点。

虽然陀螺仪也能获取试验模型管体的加速度数据，利用其加速度进行二次积分也得到三个平动时域响应，但由于陀螺仪得到的加速度不够精确，且还需通过加速度二次积分才能得到平动时域响应，困难较大且精度不高，所以本发明采用非接触式应变位移测量装置获取试验模型管体的平动时域响应，即水平方向平动时域和竖直方向平动时域响应，不仅不用考虑传感器需做防水处理这一复杂的要求，安装操作方便，还能精确地利用计算机算法解算得到试验模型管体的平动时域响应，解决陀螺仪不能精确测量平动时域响应问题，最后在计算机上图形化显示响应结果，具有图像直观可见，测量精度高等优点，便于更好地理解和分析模型管体的性能。

所述非接触式应变位移测量装置包括至少两台相机，以及设置在所述试验模型管体横截面上的多个靶点。靶点与试验模型管体横截面是协同运动，在测量过程中不发生任何的移动，从而试验模型管体的运动姿态与靶点的运动姿态保持一致，非接触式应变位移测量装置通过相机对靶点进行高速采样，并通过收集的图像相关点进行对比算法，计算出靶点表面的位移及应变分布。

水槽壁可以采用透明玻璃，两台相机安装在水槽的一侧。

作为本发明的优选方案，所述相机为高速相机，从而能实现高速采样，以高频率对样本进行捕捉。

作为本发明的优选方案，所述非接触式应变位移测量装置还包括背景纸，所述背景纸粘贴在所述试验模型管体的横截面上，所述靶点布置在所述背景纸上。背景纸尽量为纯色纸，且背景纸的颜色尽量和靶点的颜色形成鲜明对比，从而便于对靶点进行采样。

作为本发明的优选方案，所述靶点的数量为3个，3个所述靶点非共线设置。

作为本发明的优选方案，所述传感测量仪器还包括安装在所述试验水槽内的波高计和流速计，可获取试验的波高、流速等重要参数。

作为本发明的优选方案，所述张力传感器安装在水面以上，实现水下测量转化为水上测量，不仅满足测量精度要求，且无需考虑做防水措施，安装操作更加便利。

作为本发明的优选方案，所述锚泊系统还包括假底、滑轮和固定支架，所述假底固定在所述试验水槽底部，所述固定支架固定在水面以上，所述锚索穿过所述滑轮后与所述固定支架相连接。通过设置在水面以上的固定支架和滑轮，可以将锚索的一部分露出水面，从而可以在露出水面的锚索上安装所述张力传感器，实现水上测量。

作为本发明的优选方案，所述滑轮能够沿着所述假底滑动，从而可以改变锚索的传力方向。

作为本发明的优选方案，所述动力响应试验装置还包括约束装置，所述约束装置拉伸弹簧和扭转弹簧，所述拉伸弹簧安装在所述试验模型管体的横荡、纵荡、垂荡方向，所述拉伸弹簧用于模拟相邻管节对所述试验模型管体的横荡、纵荡、垂荡的约束作用，所述扭转弹簧安装在所述试验模型管体的横摇、纵摇、艏摇方向，所述扭转弹簧用于模拟相邻管节对所述试验模型管体的横摇、纵摇、艏摇的约束作用。

悬浮隧道为超长跨度交通结构物，限于试验场地，多采用节段管节模型实验。实际工程，全尺度悬浮隧道两端锚固于陆域岩体，对于全尺度悬浮隧道两端约束可以考虑为两端简支约束。但是对于悬浮隧道节段模型，节段悬浮隧道模型两端约束来源其相邻管节对其的约束作用，该约束作用与悬浮隧道的长度，锚固形式，结构形式等相关。因而，悬浮隧道节段模型试验两端约束无法用简单的简支约束或者全自由进行考虑。

为准确地模拟悬浮隧道节段模型试验两端约束作用，提高试验测试精度，贴近工程实际。本发明专门设计了特殊的模型约束装置，通过6个方向弹簧的轴向刚度和扭转刚度控制约束作用的大小，从而更加真实灵活地模拟试验模型管体的真实约束情况。

作为本发明的优选方案，水槽的长度远大于其横截面尺寸，所述试验水槽内设置有造波造流系统和消波系统，所述造波造流系统和所述消波系统分别设置在所述试验水槽的两端，所述造波造流系统可以模拟悬浮隧道物理模型在波流作用下的动力响应，所述消波系统用来降低迎面波浪的反射作用，从而提高测量装置采集的数据的真实性。

作为本发明的优选方案，所述消波系统为碎石消波系统。

采用本发明所述的一种悬浮隧道锚索失效及连续倒塌动力响应试验装置，进行动力响应试验的试验方法，包括如下步骤：

步骤一：制作试验模型管体，将陀螺仪安装至试验模型管体的重心位置，在试验模型管体的端部横截面上设置靶点；

步骤二：将试验模型管体放置到试验水槽中，安装锚泊系统、锚索连续倒塌装置以及其他的传感测量仪器；

步骤三：设定锚索失效阈值张力后，打开造流造波系统进行造波和造流，同时也打开消波系统；

步骤四：收集和整理在锚索连续失效后，传感测量仪器所得到的动态时域响应数据，分析试验模型管体在锚索连续失效后剩余系统的瞬时动力响应。

利用本发明所述的试验方法可以实现锚索瞬时断缆和悬浮隧道连续倒塌，提高数据采集的真实性和准确性，真实模拟和分析锚索失效后的隧道及锚索力学特性和运动状态变化规律。

作为本发明的优选方案，所述步骤三，设定一根或多根锚索的失效阈值张力小于其他锚索的失效阈值张力，优选的，其他锚索的失效阈值张力相同，该试验可以分析悬浮隧道在一根或多根锚索失效后剩余结构内力重分布后管体的运动状态变化规律及剩余锚索发生连续倒塌的时域动力响应力学特性规律。

作为本发明的优选方案，所述步骤四，采用响应剧烈系数rif来描述试验模型管体在锚索失效后的响应剧烈程度，其中sd为锚索失效后试验模型管体的瞬时最大动力响应，s0为试验模型管体在锚索失效前的瞬时动力响应。通过模拟试验确定一个锚索失效后发生连续倒塌的临界值，当rif大于该临界值时，表示试验模型管体在锚索失效后发生连续倒塌现象。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出一种模拟悬浮隧道模型锚索破断的锚索破断装置，该装置各个部件都很小，结构简单，安装操作方便，锚索断缆触发条件可以自我调整，从而可以实现不同锚索张力的断裂试验，即力控；另外，该装置利用张力传感器实时监测，结合继电器控制着失电型电磁铁通电，实现锚索瞬时断缆效果，从而提高数据采集的真实性和准确性；该锚索破断装置可以重复性使用，成本低。

(2)本发明通过设置多组张力传感器和控制电路装置，可以实现悬浮隧道连续倒塌效果，真实模拟和分析锚索连续失效后的剩余系统的瞬时动力响应，为悬浮隧道设计和建造提供了参考。

(3)本发明采用陀螺仪和非接触式应变位移测量装置，可以把水下悬浮隧道模型运动姿态精确地测量出来。其中，陀螺仪通过测量模型管体的角速度，能够精确得到试验模型管体的三个转动时域响应，即纵摇、横摇和首摇；非接触式应变位移测量装置能获取试验模型管体的平动时域响应，即水平方向平动时域和竖直方向平动时域响应，不仅不用考虑传感器需做防水处理这一复杂的要求，安装操作方便，还能精确地利用计算机算法解算得到管体的平动时域响应，解决陀螺仪不能精确测量平动时域响应问题，最后在计算机上图形化显示响应结果，具有图像直观可见，测量精度高等优点，便于更好地理解和分析试验模型管体的性能。

(4)本发明专门设计了特殊的模型约束装置，通过6个方向弹簧的轴向刚度和扭转刚度控制约束作用的大小，从而更加真实灵活地模拟试验模型管体的真实约束情况。

(5)本发明通过滑轮将锚索延伸到水面上，测量锚索张力的张力传感器可以安装到水面上，将试验模型的水下测量转换为成熟且精度高的水上测量，且不需要考虑传感器防水问题及安装操作的便利。同时，通过调节假底安装的位置，可以实现不同的锚索夹角布置方式。

(6)本发明通过调节缆索拉紧器，可以改变锚索初始张应力的大小，从而满足试验要求的不同的初始张应力。

(7)利用本发明所述的试验方法可以实现锚索瞬时断缆和悬浮隧道连续倒塌，提高数据采集的真实性和准确性，真实模拟和分析锚索失效后的悬浮隧道及锚索力学特性和运动状态变化规律。

(8)本发明采用响应剧烈系数rif来描述试验模型管体在锚索失效后的响应剧烈程度，通过模拟试验确定一个锚索失效后发生连续倒塌的临界值，当rif大于该临界值时，表示试验模型管体在锚索失效后发生连续倒塌现象。

附图说明

图1是本发明所述的一种悬浮隧道锚索失效及连续倒塌动力响应试验装置的结构示意图。

图2是本发明所述的一种悬浮隧道锚索失效及连续倒塌动力响应试验装置的三维示意图。

图3是图2的局部放大示意图。

图4是本发明所述的锚索在正常状态的结构示意图。

图5是本发明所述的锚索在破断状态的结构示意图。

图6是本发明所述的控制电路装置的电路图。

图7是本发明所述的约束装置的结构示意图。

图标：1-试验模型管体，2-锚索，3-张力传感器，4-滑轮，5-缆索拉紧器，6-假底，7-固定支架，8-失电型电磁铁，9-铁块，10-比较电路，11-非接触式应变位移测量装置，12-背景纸，13-靶点，14-陀螺仪，15-波高计，16-流速计，17-拉伸弹簧，18-扭转弹簧，101-造波造流系统，102-消波系统。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-图3所示，一种悬浮隧道锚索失效及连续倒塌动力响应试验装置，包括试验水槽、试验模型管体1、锚泊系统、锚索连续倒塌装置和传感测量仪器。

试验水槽主要是包括水槽、造波造流系统101和消波系统102。

水槽的长度要远大于其横截面尺寸，可以减少波浪的反射作用。造波造流系统101布置在试验水槽的一端，另一端布置消波系统102，即含有碎石消波系统。采用造波造流系统101可以模拟悬浮隧道试验模型在波流作用下的动力响应，消波系统102主要为碎石堆成的消波装置，用来降低迎面波浪的反射作用，从而提高采集数据的真实性。

试验模型管体1横截面设为圆形，在试验模型管体1一端粘贴着一张白色的背景纸12，背景纸12上设有三个黑色的特征圆点，即靶点13。由于背景纸12是粘贴在试验模型管体1横截面上，靶点13能够保证在测量过程中始终保持与该试验模型管体1横截面协同运动，不发生任何的移动，从而使得靶点13的运动姿态与试验模型管体1的运动姿态保持一致。

锚泊系统包括锚索2、缆索拉紧器5、滑轮4、假底6和水面上的固定支架7。试验模型管体1通过锚索2的支撑作用悬浮在水中，利用在假底6上预先固定的滑轮4，将锚索2穿过滑轮4延伸到水面上的固定支架7，从而监测锚索2张力的张力传感器3可以安置在水面以上，实现水下测量转化为水上测量，不仅满足测量精度要求，还不用考虑做防水措施以及安装操作的便利。所述滑轮4能够沿着所述假底6滑动，从而可以改变锚索2的传力方向。

缆索拉紧器5安装在锚索2上，通过旋转缆索拉紧器5可调节锚索2，从而改变锚索2的初始张拉应力。

所述锚索连续倒塌装置包括多个锚索破断触发装置，每个锚索破断触发装置包括张力传感器3和控制电路装置，张力传感器3安装在锚索2上，对锚索2进行实时监测张力状态，在传感器数显仪表上可以观测其张力数据，而且张力传感器3外接一个控制电路装置。所述控制电路装置包括安装在所述锚索2上的失电型电磁铁8和铁块9，且所述失电型电磁铁8连接有比较电路10，所述比较电路10包括电压比较器、继电器k和电阻(r1、r2、rz、rp)，该装置先利用电压比较器的作用实现断电或通电，再通过继电器k的作用实现失电型电磁铁8有磁性或无磁性，从而铁块9将与失电型电磁铁8吸附和分开作用，分开则表示锚索2破断，即实现断缆的控制功能。

张力传感器3采用电阻式应变式张力传感器，其由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到外界拉力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，电阻值会发生变化。

控制电路装置的电路结构，如图6所示，记张力传感器电阻应变片电阻值为rz，将5v电压加在rz及r1电阻上时，在a点处电压为va，当锚索2的张力增大时，则电阻片rz的阻值下降，使va上升。当锚索2张力达到设定某一值时，该张力值即设定的失效阈值张力fth。r2与rp组成分压器，调节rp可以改变vb的电压，vb值为比较器设定的阈值电压，称为vth。当锚索2的张力一旦超过失效阈值张力fth时，va＞vth，则比较器输出低电平，继电器k吸合，失电型电磁铁8通电失去磁性，使失电型电磁铁8与铁块9分离，从而达到锚索2破断的目的。

如图4所示，锚索2破断的触发条件为设定的锚索2的失效阈值张力，当张力没有达到设定值时，继电器k无法开始工作，失电型电磁铁8表现为有磁，失电型电磁铁8与铁块9吸在一起，锚索2处于正常状态。如图5所示，当张力达到设定值时，继电器k开始工作，失电型电磁铁8表现为无磁，失电型电磁铁8与铁块9分离，从而控制断缆的发生。

传感测量仪器包括陀螺仪14、非接触式应变位移测量装置11、波高计15和流速计16等，所述陀螺仪14安装在所述试验模型管体1的重心位置，利用陀螺仪14可以测量围绕轴的旋转角速度，并通过推导得到围绕轴的旋转角度，对管体质心位置处的空间姿态进行计算，从而可以计算出悬浮隧道模型的转动量。

所述非接触式应变位移测量装置11包括上述的背景纸12和靶点13，以及至少两台相机，所述相机优选为工业高速相机。非接触式应变位移测量装置11利用工业高速相机对靶点13进行高速采样，并通过收集的图像相关点进行对比算法，计算出靶点13表面的位移及应变分布。

实施例2

如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例所述的动力响应试验装置还包括约束装置，所述约束装置拉伸弹簧17和扭转弹簧18，所述拉伸弹簧17安装在所述试验模型管体1的横荡、纵荡、垂荡方向，所述拉伸弹簧17用于模拟相邻管节对所述试验模型管体1的横荡、纵荡、垂荡的约束作用，所述扭转弹簧18安装在所述试验模型管体1的横摇、纵摇、艏摇方向，所述扭转弹簧18用于模拟相邻管节对所述试验模型管体1的横摇、纵摇、艏摇的约束作用

其中，拉伸弹簧17和扭转弹簧18的刚度，可以通过数值模拟计算推荐，经验公式等方式先确定节段等效刚度，进而获得弹簧刚度。如：悬浮隧道节段等效刚度的计算公式为：

式中，ki(i＝1，2，3，4，5，6)分别为悬浮隧道节段在横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇六个方向的等效刚度。mi(i＝1，2，3，4，5，6)分别为考虑横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇各个方向附加水质量的悬浮隧道节段质量。ti(i＝1，2，3，4，5，6)分别代表悬浮隧道节段在横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇方向的一阶自振周期(数值模拟求得)。

由于研究的节段模型和原型存在缩尺，需将求得的原型等效刚度取值通过相似比转化成模型等效刚度取值。

实施例3

本实施例公开了一种基于锚索失效的悬浮隧道连续倒塌动力响应试验方法，采用如实施例1或实施例2所述的悬浮隧道锚索失效及连续倒塌动力响应试验装置进行试验，包括如下步骤：

步骤一：制作试验模型管体1，将陀螺仪14安装至试验模型管体1的重心位置，做好防水措施，在试验模型管体1的端部横截面贴上带有靶点13的背景板12；

步骤二：将试验模型管体1放置到试验水槽中，安装锚泊系统、锚索连续倒塌装置以及其他的传感测量仪器(波高计15、流速计16、工业高速相机等)；

步骤三：设定锚索2的失效阈值张力，设定某一根或多根锚索2的失效阈值张力小于其他锚索2的失效阈值张力，其他锚索2的失效阈值张力相同，打开造流造波系统101进行造波和造流，同时也打开消波系统102；

步骤四：观测在某一根或多根锚索2失效后剩余锚索2的连续倒塌现象，收集和整理在锚索连续失效后，传感测量仪器所得到的动态时域响应数据，分析悬浮隧道在锚索失效后剩余锚索发生连续倒塌的时域动力响应。

所述步骤四，采用响应剧烈系数rif来描述试验模型管体在锚索失效后的响应剧烈程度，其中sd为锚索失效后试验模型管体的瞬时最大动力响应，s0为试验模型管体在锚索失效前的瞬时动力响应。通过模拟试验确定一个锚索失效后发生连续倒塌的临界值，当rif大于该临界值时，表示试验模型管体在锚索失效后发生连续倒塌现象，反之不会发生连续倒塌现象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。