一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201410277153.0

申请日:

2014.06.19

公开号:

CN104063597A

公开日:

2014.09.24

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情:

实质审查的生效IPC(主分类):G06F 19/00申请日:20140619|||公开

IPC分类号:

G06F19/00(2011.01)I

主分类号:

G06F19/00

申请人:

浙江大学

发明人:

项贻强; 杨赢

地址:

310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号

优先权:

专利代理机构:

杭州求是专利事务所有限公司 33200

代理人:

杜军

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内容摘要

本发明涉及一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法。本发明方法用于计算悬浮隧道在冲击荷载下考虑非线性流体作用的整体位移和内力响应,具体步骤是:建立悬浮隧道管体简化模型;确定冲击荷载及流体作用;建立管体动力控制方程;结构整体动力响应求解。本发明可以实现在考虑流体非线性作用的情况下,悬浮隧道在任意冲击荷载作用下的整体位移和内力响应计算。

权利要求书

1.  一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法,用于计算悬浮隧道在冲击荷载下考虑非线性流体作用的整体位移和内力响应,其特征在于该方法的具体步骤是:
(a)建立悬浮隧道管体简化模型;
(b)确定冲击荷载及流体作用;
(c)建立管体动力控制方程;
(d)结构整体动力响应求解。

2.
  如权利要求1所述的一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法,其特征在于步骤(a)简化模型建立具体方法如下:
根据悬浮隧道特点,将锚固装置等效成沿管体纵向连续分布的弹性支撑,管体视为两端约束的弹性地基梁;所述的约束可为简支或固支。

3.
  如权利要求1所述的一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法,其特征在于步骤(b)荷载确定的具体方法如下:
作用在悬浮隧道管体上的荷载包括冲击力、流体作用力;
所述的冲击力由P(t)δ(x-ξ)表示,其中荷载作用形式及持续时间由P(t)确定,冲击位置由δ(x-ξ)确定;其中x为悬浮隧道管体纵向坐标、ξ为冲击点纵向坐标,坐标原点为管体的端部,t为距离初始冲击的时间;
所述的流体作用力fD(x,t)包括流体阻力和附加质量力,通过Morison方程确定。

4.
  如权利要求1所述的一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法,其特征在于步骤(c)悬浮隧道整体冲击响应动力控制方程建立的具体方法如下:
根据梁弯曲振动理论和由步骤(b)确定的荷载,建立悬浮隧道管体冲击振动的控制微分方程如下:
EI∂4y∂x4+m∂2y∂t2+c∂y∂t+ky=P(t)δ(x-ξ)-fD(x,t)---(2)]]>
其中:EI为隧道管段的弯曲刚度;c为结构的粘滞阻尼系数;m为单位长度管体质量,k为弹性地基支撑刚度,y为悬浮隧道管体横向位移。

5.
  如权利要求1所述的一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法,其特征在于步骤(d)悬浮隧道整体冲击响应求解的具体方法如下:
采用振型叠加法求解步骤(c)的控制方程,利用振型的正交性,将控制方程简化得到以广义振型坐标为变量的二阶常系数微分方程组,采用数值方法求解。

说明书

一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法
技术领域
本发明属于土木工程技术领域,具体涉及一种悬浮隧道整体冲击响应的分析方法。
背景技术
悬浮隧道主要由管段、锚索、基础、驳岸段等组成,具有跨越能力强、施工灵活、运营状态好,环保和经济性好等优点。被认为是21世纪最有挑战和发展潜能的新型交通结构物。
由于各种因素的影响,悬浮隧道管体一般应位于水面以下30米处。因此,由内部车辆撞击、沉船及渔船拖网、潜艇甚至恐怖袭击等引起的冲击荷载将会对悬浮隧道结构的安全构成严重的威胁。当前,在尚无针对悬浮隧道冲击动力响应系统的理论计算方法。由于流体的非线性作用,使得计算复杂。因此,有必要建立考虑流体作用的悬浮隧道整体冲击响应的分析方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种悬浮隧道整体冲击响应的分析计算方法,为悬浮隧道整体抗冲击设计提供了理论支持。
本发明方法通过如下步骤实现:(a)建立悬浮隧道管体简化模型;(b)确定冲击荷载及流体作用;(c)建立管体动力控制方程;(d)结构整体动力响应求解。
步骤(a)简化模型建立具体方法如下:
悬浮隧道通过锚索与基础相连,在计算中锚索视为弹簧。由于悬浮隧道管体总长远远大于锚索间距,在计算整体响应时,可简化为支承在连续地基上的两端约束的弹性地基梁。所述的约束可为简支或固支。
步骤(b)荷载确定的具体方法如下:
作用在悬浮隧道管体上的荷载主要有冲击力、流体作用力等。所述的冲击力由P(t)δ(x-ξ)表示,其中荷载作用形式及持续时间由P(t)确定,冲击位置由 δ(x-ξ)确定。所述的流体作用力fD(x,t)包括流体阻力和附加质量力,通过Morison方程确定。
步骤(c)悬浮隧道整体冲击响应动力控制方程建立的具体方法如下:
根据梁弯曲振动理论和由步骤(b)确定的荷载,建立悬浮隧道管体冲击振动的控制微分方程如下:
EI∂4y∂x4+m∂2y∂t2+c∂y∂t+ky=P(t)δ(x-ξ)-fD(x,t)---(2)]]>
其中:EI为隧道管段的弯曲刚度;c为结构的粘滞阻尼系数;m为单位长度管体质量,k为弹性地基支撑刚度,ξ为冲击点纵向坐标,y为悬浮隧道管体横向位移,x为悬浮隧道管体纵向坐标,坐标原点为管体的端部;t为距离初始冲击的时间。
步骤(d)悬浮隧道整体冲击响应求解的具体方法如下:
采用振型叠加法求解上述控制方程。利用振型的正交性,将控制方程化简得到以广义振型坐标为变量的二阶常系数微分方程组。由于各方程相互耦合,采用数值方法,如四阶龙格-库塔法求解。
本发明基于梁的弯曲振动理论和Morison方程,建立悬浮隧道整体冲击响应控制方程,并采用振型叠加法和四阶龙格-库塔法进行冲击响应求解,能够实现在考虑流体作用的情况下,悬浮隧道整体冲击响应的分析。本方法计算流程思路清晰,分析精度满足工程应用要求,为悬浮隧道初期整体抗冲击设计提供理论支持,提高结构安全性。
附图说明
图1是悬浮隧道整体冲击动力响应分析方法流程图;
图2是悬浮隧道结构立面图;
图3是悬浮隧道结构计算简图;
图4是悬浮隧道管体整体冲击响应分析简化模型。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施对本发明进行说明。
本发明的悬浮隧道整体冲击动力响应分析方法流程示意图如图1所示,主要包括如下步骤:(a)建立悬浮隧道管体简化模型;(b)确定冲击荷载及流 体作用;(c)建立管体动力控制方程;(d)结构整体动力响应求解。
步骤(a)简化模型建立具体方法如下:
悬浮隧道通过锚索与基础相连,在计算中锚索可视为弹簧,如图2、图3。由于悬浮隧道管体总长一般远远大于锚索间距,在计算整体响应时,可简化为支承在连续地基上的两端约束的弹性地基梁,如图4。所述的约束可为简支、固支等。
步骤(b)荷载确定的具体方法如下:
作用在悬浮隧道管体上的荷载主要有冲击力、流体作用力等。所述的冲击力由P(t)δ(x-ξ)表示,其中荷载作用形式及持续时间由P(t)确定,冲击位置由δ(x-ξ)确定。所述的流体作用力包括流体阻力和附加质量力,通过Morison方程确定:
fD(x,t)=-14πρlD2CA∂2y∂t2-12ρlDCD|∂y∂t|∂y∂t---(1)]]>
其中:ρl为水的密度;D为隧道管段外直径;CD为阻力系数;CA为附加质量系数;y为管体位移。
步骤(c)悬浮隧道整体冲击响应动力控制方程建立的具体方法如下:
根据梁弯曲振动理论和由步骤(b)确定的荷载,建立悬浮隧道管体冲击振动的微分控制方程如下:
EI∂4y∂x4+m∂2y∂t2+c∂y∂t+ky=P(t)δ(x-ξ)-fD(x,t)---(2)]]>
其中:EI为隧道管段的弯曲刚度;c为结构的粘滞阻尼系数;m为单位长度管体质量,k为弹性地基支撑刚度,ξ为冲击点纵向坐标,y为悬浮隧道管体横向位移,x为悬浮隧道管体纵向坐标,坐标原点为管体的端部;t为距离初始冲击的时间。
步骤(d)悬浮隧道整体冲击响应求解的具体方法如下:
采用分离变量法求解上述控制方程,将横向位移y(x,t)表示为:

其中Yi(t)为第i阶广义振型坐标;为满足相应边界条件的第i阶振型函数。将(3)式代入控制方程(2)式,并利用振型的正交性,可化简得到以广义振 型坐标为变量的二阶常系数微分方程,如(4)式所示:

其中an和bn为系数,Dn为非线性流体阻力项,分别计算如下:

其中(5)式和(6)式为方程组系数。(7)式表示流体阻力的影响,计算中采用数值积分处理。(4)式为包含n个非线性振动方程的方程组,且各方程之间相互耦合。n以满足计算精度要求取值。方程组可采用数值方法,如四阶龙格-库塔法求解。通过方程组求解可得各阶广义振型坐标Yi(t)(i=1,2,…)。将求得的广义振型坐标Yi(t)(i=1,2,…)及相应的振型函数代入(3)式,得到悬浮隧道在冲击荷载作用下整体位移响应。

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1、10申请公布号CN104063597A43申请公布日20140924CN104063597A21申请号201410277153022申请日20140619G06F19/0020110171申请人浙江大学地址310027浙江省杭州市西湖区浙大路38号72发明人项贻强杨赢74专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司33200代理人杜军54发明名称一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法57摘要本发明涉及一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法。本发明方法用于计算悬浮隧道在冲击荷载下考虑非线性流体作用的整体位移和内力响应,具体步骤是建立悬浮隧道管体简化模型;确定冲击荷载及流体作用;建立管体动力控制方程;结构整体动力响。

2、应求解。本发明可以实现在考虑流体非线性作用的情况下,悬浮隧道在任意冲击荷载作用下的整体位移和内力响应计算。51INTCL权利要求书1页说明书3页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书3页附图2页10申请公布号CN104063597ACN104063597A1/1页21一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法,用于计算悬浮隧道在冲击荷载下考虑非线性流体作用的整体位移和内力响应,其特征在于该方法的具体步骤是A建立悬浮隧道管体简化模型;B确定冲击荷载及流体作用;C建立管体动力控制方程;D结构整体动力响应求解。2如权利要求1所述的一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法,其特征在。

3、于步骤A简化模型建立具体方法如下根据悬浮隧道特点,将锚固装置等效成沿管体纵向连续分布的弹性支撑,管体视为两端约束的弹性地基梁;所述的约束可为简支或固支。3如权利要求1所述的一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法,其特征在于步骤B荷载确定的具体方法如下作用在悬浮隧道管体上的荷载包括冲击力、流体作用力;所述的冲击力由PTX表示,其中荷载作用形式及持续时间由PT确定,冲击位置由X确定;其中X为悬浮隧道管体纵向坐标、为冲击点纵向坐标,坐标原点为管体的端部,T为距离初始冲击的时间;所述的流体作用力FDX,T包括流体阻力和附加质量力,通过MORISON方程确定。4如权利要求1所述的一种悬浮隧道整体冲击响应分析方。

4、法,其特征在于步骤C悬浮隧道整体冲击响应动力控制方程建立的具体方法如下根据梁弯曲振动理论和由步骤B确定的荷载,建立悬浮隧道管体冲击振动的控制微分方程如下其中EI为隧道管段的弯曲刚度;C为结构的粘滞阻尼系数;M为单位长度管体质量,K为弹性地基支撑刚度,Y为悬浮隧道管体横向位移。5如权利要求1所述的一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法,其特征在于步骤D悬浮隧道整体冲击响应求解的具体方法如下采用振型叠加法求解步骤C的控制方程,利用振型的正交性,将控制方程简化得到以广义振型坐标为变量的二阶常系数微分方程组,采用数值方法求解。权利要求书CN104063597A1/3页3一种悬浮隧道整体冲击响应分析方法技术领。

5、域0001本发明属于土木工程技术领域,具体涉及一种悬浮隧道整体冲击响应的分析方法。背景技术0002悬浮隧道主要由管段、锚索、基础、驳岸段等组成,具有跨越能力强、施工灵活、运营状态好,环保和经济性好等优点。被认为是21世纪最有挑战和发展潜能的新型交通结构物。0003由于各种因素的影响,悬浮隧道管体一般应位于水面以下30米处。因此,由内部车辆撞击、沉船及渔船拖网、潜艇甚至恐怖袭击等引起的冲击荷载将会对悬浮隧道结构的安全构成严重的威胁。当前,在尚无针对悬浮隧道冲击动力响应系统的理论计算方法。由于流体的非线性作用,使得计算复杂。因此,有必要建立考虑流体作用的悬浮隧道整体冲击响应的分析方法。发明内容00。

6、04本发明的目的是提供一种悬浮隧道整体冲击响应的分析计算方法,为悬浮隧道整体抗冲击设计提供了理论支持。0005本发明方法通过如下步骤实现A建立悬浮隧道管体简化模型;B确定冲击荷载及流体作用;C建立管体动力控制方程;D结构整体动力响应求解。0006步骤A简化模型建立具体方法如下0007悬浮隧道通过锚索与基础相连,在计算中锚索视为弹簧。由于悬浮隧道管体总长远远大于锚索间距,在计算整体响应时,可简化为支承在连续地基上的两端约束的弹性地基梁。所述的约束可为简支或固支。0008步骤B荷载确定的具体方法如下0009作用在悬浮隧道管体上的荷载主要有冲击力、流体作用力等。所述的冲击力由PTX表示,其中荷载作用。

7、形式及持续时间由PT确定,冲击位置由X确定。所述的流体作用力FDX,T包括流体阻力和附加质量力,通过MORISON方程确定。0010步骤C悬浮隧道整体冲击响应动力控制方程建立的具体方法如下0011根据梁弯曲振动理论和由步骤B确定的荷载,建立悬浮隧道管体冲击振动的控制微分方程如下00120013其中EI为隧道管段的弯曲刚度;C为结构的粘滞阻尼系数;M为单位长度管体质量,K为弹性地基支撑刚度,为冲击点纵向坐标,Y为悬浮隧道管体横向位移,X为悬浮隧道管体纵向坐标,坐标原点为管体的端部;T为距离初始冲击的时间。0014步骤D悬浮隧道整体冲击响应求解的具体方法如下说明书CN104063597A2/3页4。

8、0015采用振型叠加法求解上述控制方程。利用振型的正交性,将控制方程化简得到以广义振型坐标为变量的二阶常系数微分方程组。由于各方程相互耦合,采用数值方法,如四阶龙格库塔法求解。0016本发明基于梁的弯曲振动理论和MORISON方程,建立悬浮隧道整体冲击响应控制方程,并采用振型叠加法和四阶龙格库塔法进行冲击响应求解,能够实现在考虑流体作用的情况下,悬浮隧道整体冲击响应的分析。本方法计算流程思路清晰,分析精度满足工程应用要求,为悬浮隧道初期整体抗冲击设计提供理论支持,提高结构安全性。附图说明0017图1是悬浮隧道整体冲击动力响应分析方法流程图;0018图2是悬浮隧道结构立面图;0019图3是悬浮隧。

9、道结构计算简图;0020图4是悬浮隧道管体整体冲击响应分析简化模型。具体实施方式0021以下结合附图和具体实施对本发明进行说明。0022本发明的悬浮隧道整体冲击动力响应分析方法流程示意图如图1所示,主要包括如下步骤A建立悬浮隧道管体简化模型;B确定冲击荷载及流体作用;C建立管体动力控制方程;D结构整体动力响应求解。0023步骤A简化模型建立具体方法如下0024悬浮隧道通过锚索与基础相连,在计算中锚索可视为弹簧,如图2、图3。由于悬浮隧道管体总长一般远远大于锚索间距,在计算整体响应时,可简化为支承在连续地基上的两端约束的弹性地基梁,如图4。所述的约束可为简支、固支等。0025步骤B荷载确定的具体。

10、方法如下0026作用在悬浮隧道管体上的荷载主要有冲击力、流体作用力等。所述的冲击力由PTX表示,其中荷载作用形式及持续时间由PT确定,冲击位置由X确定。所述的流体作用力包括流体阻力和附加质量力,通过MORISON方程确定00270028其中L为水的密度;D为隧道管段外直径;CD为阻力系数;CA为附加质量系数;Y为管体位移。0029步骤C悬浮隧道整体冲击响应动力控制方程建立的具体方法如下0030根据梁弯曲振动理论和由步骤B确定的荷载,建立悬浮隧道管体冲击振动的微分控制方程如下00310032其中EI为隧道管段的弯曲刚度;C为结构的粘滞阻尼系数;M为单位长度管体质量,K为弹性地基支撑刚度,为冲击点。

11、纵向坐标,Y为悬浮隧道管体横向位移,X为悬浮隧道管体纵向坐标,坐标原点为管体的端部;T为距离初始冲击的时间。说明书CN104063597A3/3页50033步骤D悬浮隧道整体冲击响应求解的具体方法如下0034采用分离变量法求解上述控制方程,将横向位移YX,T表示为00350036其中YIT为第I阶广义振型坐标;为满足相应边界条件的第I阶振型函数。将3式代入控制方程2式,并利用振型的正交性,可化简得到以广义振型坐标为变量的二阶常系数微分方程,如4式所示00370038其中AN和BN为系数,DN为非线性流体阻力项,分别计算如下00390040其中5式和6式为方程组系数。7式表示流体阻力的影响,计算中采用数值积分处理。4式为包含N个非线性振动方程的方程组,且各方程之间相互耦合。N以满足计算精度要求取值。方程组可采用数值方法,如四阶龙格库塔法求解。通过方程组求解可得各阶广义振型坐标YITI1,2,。将求得的广义振型坐标YITI1,2,及相应的振型函数代入3式,得到悬浮隧道在冲击荷载作用下整体位移响应。说明书CN104063597A1/2页6图1图2图3说明书附图CN104063597A2/2页7图4说明书附图CN104063597A。

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