用Morison方程计算分析悬浮隧道所受波浪力初探.doc

用Morison方程计算分析悬浮隧道所受波浪力初探 第16卷第3期石家庄铁道学院第卷第期后豕饮迥r子阮子很 2003年9月JOURNALOFSHIJIAZHUANGRAILWAYINSTITUTE VO1.16NO.3 Sep.2003 用Morison方程计算分析悬浮隧道所受波浪力初探 麦继婷,关宝树 (西南交通大学土木工程学院.四川成都610031) 摘要:根据悬浮隧道自身结构特点和工程设计中所考虑的波浪条件,利用Morison方程和 线性波浪理论,计算分析了隧道放置深度,海流速度,流向与波向间的夹角,波浪周期等诸多因 素对隧道所受水平波浪力的影响. 关键词:悬浮隧道;波浪力;海流 中图分类号:U452文献标识码:A文章编号:1006—3226(2003)03—0001—04 悬浮隧道是沉浸而悬浮于水中的新型水底隧道,其主要优点是总长度比传统的水底隧道短很多.由于 所处环境与传统隧道不同,故其工作条件几乎全属未知,致使此种新型结构物长期无法实现,虽然新设想 提出已有几十年,但至今世界上还未建造过一座此种隧道. 我国对悬浮隧道的研究工作尚处于起步阶段.对悬浮隧道所受波浪力做一初探,目的是使我国在悬浮 隧道的理论研究,设计方法方面有所突破. 1概述 悬浮隧道是一种跨越河口,峡湾和海峡等的结构物,通过水的浮力和锚固力的平衡作用,使其悬浮在 适当的水深位置,因此它要承受复杂的荷载组合.由于悬浮隧道直接处于波流环境中,故研究流体对悬浮 隧道的作用,特别是波浪对它的作用,是悬浮隧道设计中必须要考虑的问题之一.在工程设计中,计算作用 在墩柱上的波浪力的方法有两种.一是由Morison等人提出的称之为Morison方程的计算方法;另一种方 法是由Maccamy和Fuchs提出的绕射理论.对于像悬浮隧道这样的细长结构物,其直径D一般在1O～ 25m之间,设计中所考虑的波浪周期一般在10s以上,则相应地D/L值大致在0.06～0.16之间,由波浪 理论可知当D/L小于0.2时,计算墩柱上的波浪力可采用Morison方程n],因此,试甩Morison方程计算 悬浮隧道所受波浪力,探讨某些因素对此种波浪力的影响. 1.1结构和波流环境的简化模型 (1)悬浮隧道放在水下某一深度处,由桩式支撑或锚索固定在海底.为推求 方便,坐标系建立如图1所示:轴竖直向上,轴沿波动方向,轴与悬浮隧道 轴线平行,且与轴线在同一竖直平面上,坐标原点置于无波动时的水面位置上. (2)不考虑波流作用下隧道的变形,位移,即认为隧道是一固定不动的刚体. (3)波动方向与悬浮隧道轴线垂直,且沿轴向波动情况相同,即只考虑二维 问题. (4)由于海流的速度分布随深度衰减很慢,水质点的运动近似水平,为简化 收稿日期:2003—04—14 作者简介:麦继婷女1963年8月出生副教授 撑 图1隧道及坐标轴 2石家庄铁道学院第16卷 分析,假定海流为一稳定均匀水平流,流速为,同波动方向(即轴)夹角为a. 2Morison方程在悬浮隧道波浪力计算中的应用 当H/Dlt;1.0且D/Llt;O.2时(H为波高,L为波长,D为隧道直径),由于流体粘性的影响和悬浮隧 道绕流的影响都较小,因此在计算悬浮隧道所受波浪力时可采用Morison方程,即作用于深度z处悬浮 隧道一微元长度d上的水平波浪力为 dF一cJvdy+C.lld 式中,C,为惯性力系数,它由两项组成,一项来自水动力质量的影响,另一项来自加速流内压力梯度的改 变,即CIp~D2( , f+1);f为附加质量系数;c.一1fIDD,为阻力系数;为d段中点轴线处流体瞬 时速度的水平分量;|D这流体密度;D为悬浮隧道外直径. 将上述关系代入dF表达式,得 帆===++IDId(1) 如有海流存在,则作用于悬浮隧道微元长度d上的波浪力.为 dF=C(v+u)dy+C,(+)l+Id 根据第(4)条假定知=0,则上式简化为 dF=C,~dy+C.(+二)lv-t-ufd 而在方向的投影为UCOS~,则作用在上的水平波浪力为 一 ++1 IDDc.+g/COS~)t~一,-ruId(2) 式中,I~+ul一4—(v~+ucosa—)2+u2sin2a. 对于外直径为D的悬浮隧道,其附加质量系数一般取1;阻力系数当其管外表面为砂粒式糙 面时,其值一般为1E. 应用线性波浪理论,将Uor表达式代入(1)式及(2)式后,对dF从y=0至y=l积分,由于d与 无关,同时由假设条件(3)可知,悬浮隧道轴线各处z值都相同,且轴线处一0,则沿波动方向悬浮隧道所 受总的水平波浪力为 无流时 ){2gkaosinwt一)coswtIcoscotl}(3) 有流存在时 Fx--—p— nlD 一 2 .(z)志g口,sincuf+ 吉IDD[c.s口一(z)cos]√/