大尺度宽幅悬浮隧道管体沉放过程的波浪荷载分析.pdf

引用格式:刘宏专,陈志威,易壮鹏,等.大尺度宽幅悬浮隧道管体沉放过程的波浪荷载分析J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):248.LIU Hongzhuan,CHEN Zhiwei,YI Zhuangpeng,et al.Wave loads on large-scale wide tube of submerged floating tunnel during sinkingJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):248.收稿日期:2022-12-20;修回日期:2023-05-18基金项目:国家自然科学基金资助项目(52278139,52278141);湖南省自然科学基金(2022JJ30612);长沙市科技计划项目(kq2202204);湖南省教育厅科学研究项目(19A004)第一作者简介:刘宏专(1998),男,湖南岳阳人,长沙理工大学土木工程专业在读硕士,现从事悬浮隧道流固耦合研究工作。E-mail:。通信作者:易壮鹏,E-mail:yizhuangpeng 。大尺度宽幅悬浮隧道管体沉放过程的波浪荷载分析刘宏专,陈志威,易壮鹏,陈星烨(长沙理工大学土木工程学院,湖南 长沙 410114)摘要:波浪是大尺度宽幅截面悬浮隧道沉放过程中所面临的主要环境荷载之一。为研究这类隧道管体波浪荷载与环境参数、几何尺寸的关系,基于 CFD 软件 FLUENT 建立管体的二维数值模型。以圆端形和六边形截面为对象,探讨波浪高度、波浪周期、淹没深度和截面尺寸对大尺度宽幅隧道管体所受波浪三分力的影响规律,以及截面尺度与波浪绕射系数之间的关系,并以圆形截面的Morison 公式计算结果为基准进行对比。结果表明:1)对于横向尺寸与波长之比大于 0.2 的大尺度宽幅截面管体,采用数值模拟与绕射理论分析波浪荷载更适宜;2)圆端形和六边形截面管体的波浪力均随波高、波浪周期的增大而增大,中心宽度变大时 2 种类型截面对应的波浪三分力均不同程度地增大,其中倾覆力矩显著增大是宽幅截面值得重点关注的地方;3)增大淹没深度是减小波浪倾覆力矩的一个重要措施,当达到 30 m 时,不同截面类型和宽度对应的倾覆力矩均降至较小值;4)大尺度宽幅悬浮隧道截面的绕射系数与高宽比密切相关,高宽比增大时,水平绕射系数增大而竖向绕射系数减小。关键词:悬浮隧道;大尺度宽幅截面;波浪荷载;CFD 数值模拟;倾覆力矩DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.029中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0248-09WWa av ve e L Lo oa ad ds s o on n L La ar rg ge e-S Sc ca al le e WWi id de e T Tu ub be e o of f S Su ub bm me er rg ge ed d F Fl lo oa at ti in ng gT Tu un nn ne el l D Du ur ri in ng g S Si in nk ki in ng gLIU Hongzhuan,CHEN Zhiwei,YI Zhuangpeng*,CHEN Xingye(School of Civil Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114,Hunan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:Wave load is one of the main environmental loads faced by the large-scale wide cross-sectional submerged floating tunnel(SFT)during sinking.To investigate the relationship between the wave loads of the large-scale wide SFT tube and environmental parameters and geometric dimensions,a two-dimensional numerical model of the tube is established based on the computational fluid dynamics(CFD)software FLUENT.By taking the round-end and hexagonal sections as objects,the influence laws of the wave height,wave period,submerged depth,and section size on the wave loads acting on the large-scale wide SFT tubes are discussed.The relationship between sectional size and wave diffraction coefficient is also examined.And the comparison with the results of circular sections based on the Morison formula is performed.The results show the following:(1)For the large-scale wide cross-sectional tubes with the ratio of transverse size to wavelength greater than 0.2,the CFD numerical simulation and diffraction theory are more suitable for wave load studies.(2)The horizontal/vertical forces and overturning moment for the round-end and hexagonal sectional tubes all increase with the increase of wave height and wave period.The wave forces corresponding to the two types of sections all increase to certain degrees when the central width becomes larger.And the significant increase of overturning moment is a key concern for the wide section.(3)Increasing the submerged depth is an important measure 增刊 1 刘宏专,等:大尺度宽幅悬浮隧道管体沉放过程的波浪荷载分析to reduce the wave overturning moment.When it reaches 30 m,the overturning moments corresponding to different section types and widths decrease to a smaller value.(4)The diffraction coefficients of the large-scale wide SFT section are closely related to the sectional height-wide-ratio.When it increases,the horizontal/vertical diffraction coefficient increases/decreases.K Ke ey yw wo or rd ds s:submerged floating tunnel;large-scale wide section;wave loads;computational fluid dynamics numerical simulation;overturning moment0 引言悬浮隧道是新型的水中交通结构,具有受海洋环境影响小、单位长度造价不随长度增长等优势,近年来受到广泛关注1-3。波浪是悬浮隧道拖运沉放过程中全部管节及运营阶段与海岸连接的浅水区管节所面临的重要环境荷载之一。加上大尺度宽幅截面更符合隧道交通流量大、车道多的通行要求,使得大尺度宽幅管体的波浪荷载研究成为热点之一。Morison 公式是适用于结构尺度与波长之比小于0.2 的一种半经验性波浪荷载解析表达式,其关键在于选定适宜的波浪理论4和拖曳力系数、惯性力系数。用此方法,麦继婷等5采用基于线性波浪理论计算分析了悬浮隧道所受波浪荷载;项贻强等6比较了线性波浪理论和二阶 stokes 波浪理论得到的计算结果,进行了悬浮隧道波浪力参数影响分析;杨艺平等7分析了速度力系数、惯性力系数、海洋生物生长厚度和波浪相位差对波浪荷载计算结果的影响;Kim等8考虑了规则波作用下管体的稳定性,并讨论了多种因素的影响;Kunisu9基于 Morison 方程和绕射理论,采用边界元法对悬浮隧道波浪力进行了计算。与之对应,许多学者采用 CFD 数值模拟或试验方法来研究隧道管体的波浪荷载。邹威等10-11根据势流理论对多种特征横断面悬浮隧道进行波浪荷载频域计算,提出了 23 个特征断面的绕射系数;邹鹏旭等12采用 CFD 方法研究悬浮隧道管体-锚索耦合系统在波浪作用下的动力响应特征,并分析了浸没深度、浮重比、系泊角度等对悬浮隧道水动力特性的影响;李勤熙等13进行了缩尺比 1 60 水动物理模型试验,分析不同波浪周期下管体迎浪面、背浪面和上下表面的压强变化特性;Seo 等14提出了一种估算水动力的理论方法,并在波浪水槽中进行了物理模型试验验证。这些研究侧重于研究圆形截面和宽跨比较小的截面在波浪作用下的运动和力学性能,较少涉及 4 车道及以上的大尺度宽幅截面。同时,波浪参数、截面形式和淹没深度等与波浪三分力之间的关系,截面尺寸与波浪绕射系数的相关性,在进行正式设计之前需进一步明确。因此,本文针对横向尺寸与波长之比大于 0.2 的圆端形(round-end)和六边形(hexagon)大尺度宽幅悬浮隧道管体,利用 CFD 软件 FLUENT 建立二维数值模型,探讨在悬浮隧道沉放过程中淹没深度较浅时,波浪高度、波浪周期、淹没深度、隧道尺寸等与隧道在纵向单位长度内所受波浪荷载(即水平波浪力 Fh、竖向波浪力 Fv和倾覆力矩 MT)的关联性及截面尺度对波浪绕射的影响规律,并与圆形截面进行对比,为宽幅悬浮隧道截面设计提供参考。1 研究方法1.1 数值模拟与结构参数基于 CFD 软件 FLUENT15建立二维模型,利用VOF(volume of fluid)方法,通过求解单一的一组动量方程和跟踪每个流体在整个区域内的体积分数来模拟模型中的气液两相流。VOF 方法中,目标流体的体积分数 F 满足流体体积方程16:Ft+uFx+vFy=0。(1)式中:t 为时间;u,v 分别为 x,y 2 个方向的速度分量。在目标流体区域 F=1,在非目标流体区域 F=0,在两相流混合区域 0F0.2),差值超过 5%,且随着截面直径增大,两者的差值将进一步增大;D=26 m 时,差值已接近 20%。为使 2 种计算方式的结果时程拟合,可对拖曳力系数 CD和惯性力系数 CM进行修正。由于 CM占主导,图 5(b)示出 CD=1.2 时基于时程拟合的 CM系数修正值。可知,D/L 小于 0.2 时,CM修正值接近 2.0;当 D/L 在 0.2 至 0.667 之间时可对 CM进行修正,得到合适的 CM值;随着 D/L 继续增大,修正 CM所得结果将存在较大误差。由于大尺度结构周围的绕射势对受力产生了较大影响,导致只考虑惯性力、拖曳力的 Morison 方法产生偏差。对于大尺度宽幅悬浮隧道截面,采用数值模拟与绕射理论进行分析更适宜。2.2 截面尺度对波浪绕射系数的影响Froude-Krylov 假定法5是大体积结构一种常见的计算波浪力的方法,它考虑了绕射效应且通过绕射系数来反映波浪荷载的大小,其表达式为:Fh=ChspxdS;(5)Fv=CvspydS。(6)式(5)(6)中:Ch与 Cv分别为水平绕射系数与竖向绕射系数;px与 py分别为未扰入射波在结构表面任一点 x 与 y 向压强;S 为表面积。(a)圆截面波浪力比较(H=2 m,T=6.8 s,h=5 m)(b)不同 D/L 值下的 CM修正值图 5 圆截面波浪力计算结果Fig.5 Calculation results of wave force for circular section 为了探究大尺度宽幅悬浮隧道管体中波浪绕射系数的分布规律,本节基于波浪力的 CFD 数值模拟与线性波浪理论,通过式(5)和式(6)反算 Ch、Cv,并建立与截面尺寸的关系。图 6 示出不同截面尺度圆端形截面的绕射系数。如图 6(a)所示,在保持截面高度 D=13.5 m 的情况下,截面形式为圆(即 d=0)时的水平绕射系数和竖向绕射系数均为 2.0 左右,随着截面宽度的增加,水平绕射系数减小而竖向绕射系数增大。在相同高宽比下,文献10的绕射系数值与本文计算结果基本相等,相对差值在 5%以内。如图 6(b)所示,在保持截面总宽度(D+d=27 m)不变的情况下,随截面高度增加,水平绕射系数增大而竖向绕射系数减小,并逐渐趋近相等。当截面高度增大至与截面宽度相近时,Ch和 Cv在 2.0左右。整体上,宽幅悬浮隧道截面的波浪绕射系数与截面尺度相关,高宽比越大,水平绕射系数越大而竖向绕射系数越小。152隧道建设(中英文)第 43 卷 (a)截面宽度 (b)截面高度图 6 圆端形截面的绕射系数Fig.6 Diffraction coefficient of round-end SFT section2.3 环境因素对圆形截面隧道波浪荷载的影响以圆形截面作为圆端形、六边形宽幅截面的对照基准,探究波高、波浪周期及淹没深度对这种截面隧道所受波浪荷载的影响,计算结果如图 7 所示。由图 7(a)可知,圆形截面管体所受波浪荷载随波高 H的增大而增大,倾覆力矩相对于水平、竖向波浪力很小,可忽略不计。波高是影响波浪荷载的重要因素,其变化与季节相关,冬季由于季风影响会出现一年之中的最大波高,夏季波高相对较小。图 7(b)表明波浪周期 T 也是影响波浪荷载的重要因素,波浪周期大于 5 s时,竖向、水平波浪荷载随周期变大而增长的趋势明显,倾覆力矩相对较小且可忽略不计。周期小于 5 s时,D/L0.2,波浪绕射将对结构受力产生较大影响,波浪荷载峰值变化趋缓并逐渐接近 0。图 7(c)描述了淹没深度 h 对波浪荷载的影响。随着 h 的增加,波浪三分力均显著减小,波浪荷载峰值变化幅度也随之减小。h=30 m 时,波浪荷载达到较低值,海面波浪对管体而言不再是主要的环境荷载。在不同深度下,圆截面管体承受的竖向与水平波浪荷载峰值较接近,相对差值均在 5%以内,相对而言倾覆力矩较小,对管体的影响可忽略不计。(a)波高(D=20 m,T=8.8 s,h=5 m)(b)波浪周期(D=20 m,H=2 m,h=5 m)(c)淹没深度(D=20 m,H=2 m,T=8.8 s)图 7 环境因素对圆形截面所受波浪荷载的影响Fig.7 Effects of environmental factors on wave loads for circular section2.4 截面尺度对宽幅隧道所受波浪荷载的影响相对于圆形截面,圆端形、六边形截面的隧道管体更符合悬浮隧道宽幅通行的要求,图 8 和图 9 分别示出这 2 种截面形式取 H=2 m,T=6.8 s,h=5 m,D=13.5 m,并令中心宽度 d 作为变化参数时,单位长度隧道管体承受的波浪三分力分布规律。(a)波浪三分力幅值 (b)倾覆力矩、水平波浪力、竖向波浪力时程曲线图 8 圆端形截面不同 d 值时隧道管体所受波浪荷载Fig.8 Wave forces of round-end section tunnel with different d 由图 8(a)可知,d=0 对应的截面为圆形,此时竖向波浪荷载与水平波浪荷载幅值的相对差值在 5%以内,倾覆力矩可忽略不计,这与 2.2 节的结论一致,也是宽幅截面对照的基准。随着 d 值的增大,水平波浪荷载幅值先增后减,d=1.5D 时达到极大值,此后随 d值增大水平波浪力幅值减小。在截面中心宽度 d 由 0252增刊 1 刘宏专,等:大尺度宽幅悬浮隧道管体沉放过程的波浪荷载分析增至 3D 的过程中,竖向波浪荷载幅值一直增加,其增长率逐渐减小。值得关注的是,倾覆力矩的幅值随截面中心宽度的增长其变化最为显著,d 由 D 变为 3D 时,倾覆力矩幅值增加 10.5 倍,竖向波浪力幅值增大 1.8 倍。因此,设计时应考虑截面高宽比对结构所受波浪荷载的影响,将宽幅截面的倾覆力矩控制在允许范围内。由图 8(b)可知,三分力的时程曲线均呈周期变化,波浪荷载的变化周期为波浪周期,波浪作用下隧道受到均匀变化的上下左右摆动力及转动力矩。(a)波浪三分力幅值 (b)倾覆力矩、水平波浪力、竖向波浪力时程曲线图 9 六边形截面不同 d 值时隧道管体所受波浪荷载Fig.9 Wave loads of hexagonal section tunnel with different d 由图 9 中六边形截面中心宽度 d 与波浪荷载的关系可知,波浪三分力随着 d 增大的变化规律及时程曲线与圆端形类似。对于大尺度宽幅六边形截面,倾覆力矩对结构的影响最为显著,随着 d 的增大倾覆力矩迅速增加。因此,在设计这种截面形式时,宽高比是一个重要的控制指标。在 d 和 D 相同的情况下,六边形截面隧道管体所受波浪荷载略小于圆端截面,差值在0.5%5%,这是由于相同高宽的圆端形截面净空略大于六边形截面,导致圆端形截面波浪荷载稍大。在流体作用下,六边形截面在尖角处的局部压强更大,受力更不均匀,易造成结构变形,在设计时需予以局部加强。2.5 环境因素对宽幅隧道所受波浪荷载的影响为研究环境因素对大尺度截面管体所受波浪荷载的影响,选择 3 种分别代表双向 4 车道、6 车道、8 车道的典型截面中心宽度(d=D,d=2D,d=3D),研究三分力峰值与波高、波浪周期与淹没深度的关系曲线,计算结果如图 10 12 所示,其中 R-section 和 H-section 分别表示圆端形和六边形截面。(a)水平波浪力幅值 (b)竖向波浪力幅值 (c)倾覆力矩幅值图 10 不同形状宽幅悬浮隧道截面所受波浪荷载与波高的关系(D=13.5 m,T=6.8 s,h=5 m)Fig.10 Relationship between wave load and wave height for wide SFT sections with different shapes(D=13.5 m,T=6.8 s,and h=5 m)由图 10(a)可知,宽幅圆端形、六边形截面的水平波浪荷载 Fh均随波高的增大而线性增长,不同宽度和截面形式对应的 Fh之间相差不大,这说明水平波浪力对波高敏感而对截面宽度不敏感。在波高的增大过程中,竖向波浪荷载 Fv一直变大,且不同宽度、截面形式对应的 Fv差异明显(见图10(b),这说明竖向波浪荷352隧道建设(中英文)第 43 卷载对波高和截面宽度均敏感。如图 10(c)所示,在波高由 1.2 m 增至 4 m 的过程中,倾覆力矩基本上按照线性规律急剧增大,且不同的截面形式和中心宽度对应的倾覆力矩幅值差异明显。此外,2 种截面形式的中心宽度变大时倾覆力矩均显著增大,相同中心宽度时六边形截面的倾覆力矩小于圆端形。因此,宽幅截面隧道所承受的倾覆力矩值得重点关注,在设计中应予以综合考虑,如:将单个隧道截面分解成多隧道组合截面,加强锚索以减少过大倾覆力矩带来的安全问题。(a)水平波浪力幅值 (b)竖向波浪力幅值 (c)倾覆力矩幅值图 11 不同形状宽幅悬浮隧道截面所受波浪荷载与波浪周期的关系(D=13.5 m,H=2 m,h=5 m)Fig.11 Relationship between wave load and wave period for wide SFT sections with different shapes(D=13.5 m,H=2 m,and h=5 m)(a)水平波浪力幅值 (b)竖向波浪力幅值 (c)倾覆力矩幅值图 12 不同形状宽幅悬浮隧道截面所受波浪荷载与淹没深度的关系(D=13.5 m,H=2 m,and T=6.8 s)Fig.12 Relationship between wave load and submerged depth for wide SFT sections with different shapes(D=13.5 m,H=2 m,and T=6.8 s)图 11 示出波浪周期 T 对 2 种截面形式不同宽度波浪荷载的影响规律。由图 11(a)可知,随 T 的增大,水平波浪荷载 Fh先增大后减小,不同宽度和截面形式对应的 Fh在 T 较小时相差不大,而在 T 较大时差异明显。由图 11(b)可知,在 T 增大过程中,竖向波浪荷载Fv先增大后减小,且不同宽度、截面形式对应的 Fv在波浪周期较大时差异明显,这说明 Fv对长周期波浪和截面宽度敏感。如图 11(c)所示,在波浪周期由 4 s 变化至 10.6 s 的过程中,倾覆力矩先增至一个最大值,在波浪周期达到 7 s 后开始减弱。T 变化时,截面形式与中心宽度均对倾覆力矩有显著影响,中心宽度变大时倾覆力矩增大,相同中心宽度的六边形截面的倾覆力矩小于圆端形。图 12 示出管体放置水深对宽幅截面波浪荷载的影响规律。由图 12(a)可知,水平波浪荷载 Fh随淹没深度的增大而减小,不同宽度和截面形式对应的 Fh之间的差异随淹没深度的减小而逐渐明显,这与波浪影响程度随淹没深度增加而减小的一般结论吻合。值得注意的是,在浅水区域圆端形、六边形截面的中心宽度越大,水平波浪荷载 Fh反而越小。由图 12(b)可知,竖向波浪荷载 Fv随淹没深度的增加而减小,且不同宽度、截面形式对应的 Fv在淹没深度达到 30 m 时差异452增刊 1 刘宏专,等:大尺度宽幅悬浮隧道管体沉放过程的波浪荷载分析不再明显。如图 12(c)所示,在淹没深度由 3 m 增加到 30 m 的过程中倾覆力矩持续减小,当 h=30 m 时,不同宽度的圆端形和六边形截面的倾覆力矩均降至较小的值。这说明,增大悬浮隧道淹没深度是减小波浪倾覆力矩的一个重要措施。3 结论与建议本文利用 CFD 软件 FLUENT 研究了沉放过程组合大尺度宽幅悬浮隧道截面波浪荷载与环境参数、截面形式、截面尺寸的关系,所得结论如下。1)D/L0.2 时,数值模拟与 Morison 公式计算结果相差较大,且随着截面尺寸增大,差值进一步增大。对于大尺度宽幅截面悬浮隧道的波浪荷载,采用数值模拟或绕射理论分析更适宜。2)大尺度宽幅悬浮隧道截面的绕射系数与高宽比密切相关,高宽比增大时,水平绕射系数增大而竖向绕射系数减小。3)波高、波浪周期及淹没深度是影响波浪荷载的重要因素。圆形截面的竖向、水平波浪荷载随这些因素的增减均呈现明显变化。圆端形、六边形截面的波浪力均与上述 3 因素有明显的相关性。4)管体截面的中心宽度变宽时,不同截面形式对应的三分力均不同程度地增大。其中,倾覆力矩显著增大,因此宽幅截面的波浪荷载值得重点关注。5)管体淹没深度的增加可以有效地减小波浪荷载,当淹没深度达到 30 m 时,不同宽度的圆端形和六边形截面的倾覆力矩均降至较小的值。增大淹没深度是减小波浪倾覆力矩的一个重要措施。基于数值模拟考虑大尺度宽幅悬浮隧道波浪荷载与管体运动、非线性效应的关系,在后续研究中值得进一步讨论,并结合交通荷载、水流作用等,以探究大尺度宽幅悬浮隧道的受载规律。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 李昊,程晓辉,余翰良,等.张力腿式水下悬浮隧道地震响应模拟:以琼州海峡跨海隧道工程为例J.现代隧道技术,2022,59(3):146.LI Hao,CHENG Xiaohui,YU Hanliang,et al.Seismic response simulation of submerged floating tunnel with tension legs:A case study on the Qiongzhou strait crossing tunnel projectJ.Modern Tunnelling Technology,2022,59(3):146.2 韦承贤,党国誉,巫志文,等.随机波流作用下不同截面形式悬浮隧道的动力响应J.船舶工程,2022,44(6):176.WEI Chengxian,DANG Guoyu,WU Zhiwen,et al.Dynamic response on submerged floating tunnel with different cross section under stochastic wave and currentJ.Ship 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