文章编号:1671-2579(2002)06-0049-04悬浮隧道在国内外的研究项贻强,薛静平(浙江大学,浙江杭州 310027) 摘 要:笔者有幸参加了中意国际合作研究“舟山连岛工程金塘海峡悬浮隧道(或称阿基米德桥)技术可行性研究”项目,并进行了有关的研究,这里简要概述悬浮隧道的概念和在国内外的研究进展。
关键词:悬浮隧道;结构分析;设计理论;虚拟层合单元法 Ξ1 悬浮隧道的概念及在国外的研究悬浮隧道,英语为Submerged Floating Tunnel ,简称“SF T ”,在意大利又称“阿基米德桥”,简称“PDA ”桥,一般由浮在水中一定深度的管状结构(该结构的空间很大,足以适应道路和铁道交通的要求)、锚固在水下基础的锚缆杆(或水上的浮箱)装置(该装置可防止隧道过大的位移)及与两岸相连的构筑物组成,如图1。
它是一种新的跨越海峡、大江湖泊、水道的交通结构物。
图1 典型的悬浮隧道示意图悬浮隧道最初由Grant 在1966年首先提出,20世纪80年代初期,意大利Messina 阿基米德公司为推动悬浮隧道在Messina 海峡连接通道工程的应用,与意大利的大学、公司等有关的技术咨询和研究机构展开了该技术方案的详细研究和咨询论证工作,并取得了初步的研究成果,目前国外的主要研究包括下列几个方面:1)1984年,进行了“SF T ”预可行性研究,提出了这种方案的初步设想、特别是在意大利Messina 海峡连接工程中的设想,需要研究和解决的一些问题及工程应用的可能性。
2)1986年,对“SF T ”设计方案在意大利Messina 海峡连接工程中的水中最小深度和安全航运研究,提出将隧道顶部放置在距水面至少30m 的距离,将不影响该海峡的正常安全航运,该研究在1989年得到了国际海洋组织会议的认可。
3)1988年、1992年由意大利“EN I ”集团资助,意大利Messina 阿基米德公司PDA 桥梁研究工作室和RINA 集团公司先后对“SF T ”设计方案的截面形状、设计标准和应考虑的一些问题进行了深入的研究和探讨,提出了几种典型的截面形状,RINA 集团公司还编制了“SF T ”设计指南,供有关单位和部门进行“SF T ”设计的参考和技术论证的依据,将“SF T ”技术向前推进了一大步。
4)1996年,欧盟在上述研究的基础上,出资并组织丹麦、挪威、意大利的有关部门和专家对“SF T ”技术作进一步的研究,以对该项技术应用于欧洲各国的海峡、大江湖泊的大通道进行技术研究和造价估算,提出了有关的研究报告。
5)除欧洲外,美国、日本也就悬浮隧道技术进行了大量研究,日本还曾经考虑在北部连接工程中采用悬浮隧道。
但是,迄至今日世界上还没有建成一座悬浮隧道。
第22卷 第6期2002年12月 中 外 公 路 49Ξ收稿日期:2002-10-13作者简介:项贻强,男,博士,教授,博士生导师.2 悬浮隧道的优点悬浮隧道结构与桥梁方案相比,在技术上具有以下特点:①对结构物周围的环境影响很小;②全天侯工作,即它不受大江或海峡的风浪、大雾的限制;③与桥梁方案相比,汽车能量的消耗较小,这是因为悬浮隧道一般的坡度可以较桥梁方案平缓;④可以方便铺设跨江、海峡的各种供水、电力管线。
对于长度超过1000m及水深超过50m的连接工程,采用悬浮隧道技术比其他的解决方案如桥梁方案可能更具有竞争力。
3 悬浮隧道在国内的研究我国在1999年,浙江舟山大陆连岛工程中曾提出过“SF T”方案的设想,以连接连岛工程中难度最大、长度最长、海水最深的金塘海峡(最窄处水道宽约3500 m、深为60～70m)。
2000年经浙江省科技厅、中国外交部与意大利政府和有关机构的努力,双方合作签署了有关协议,并以舟山大陆连岛工程的金塘海峡为背景,展开了金塘海峡阿基米德桥的可行性研究。
2001年由浙江省科技厅牵头、舟山海峡大桥发展有限公司、浙江大学、同济大学、浙江省交通规划设计研究院、国家海洋局第二海洋研究所等单位联合先后两次赴意大利,与意大利的有关专家和学者就“SF T”设计方案的截面形状、设计标准和应考虑的一些关键技术问题进行了深入的研究、探讨和交流。
2001年11月意大利方面又专门组团到我国进行访问,双方专家和学者分别就金塘海峡悬浮隧道的结构分析、设计理论、施工工艺的技术要求及经济分析评价等问题,在杭州与浙江大学、浙江省交通规划设计研究院、同济大学、中国科学院等单位进行了技术交流和专题报告。
在浙江大学邵逸夫科技馆举行的“中国意大利合作项目———金塘海峡阿基米德桥的可行性研究学术报告会”上,意大利方项目负责人Antoniao F.教授、浙江大学项贻强教授、国家海洋局第二海洋研究所王传锟教授及米兰一所大学的博士等先后作了题为“金塘海峡阿基米德桥的可行性研究”、“金塘海峡阿基米德桥的空间分析研究”、“金塘海峡水域海浪、海流的研究”和“金塘海峡阿基米德桥交通运输规划研究”等学术报告,浙江大学的空间分析研究提出了一种分析复杂结构的虚拟层合单元理论,引起了到会专家和学者的极大兴趣。
因为对于图1所示的具有复杂截面形状和支承条件的阿基米德桥,其结构空间分析是一个比较繁琐的力学问题。
以往的空间分析方法一般采用三维实体单元对结构进行细致的剖分,其优点是能够准确地描述结构的几何形状,计算结果也比较准确,缺点是计算工作量庞大,花费机时多,而且对结构物是由多种材料组合而成的情况,如钢筋混凝土和预应力混凝土材料,若要精确描述其中的各种材料和特性则显得非常困难。
浙江大学从传统的三维板壳单元和块体单元或更一般的三维板壳等参元和块体等参元等单元的刚度矩阵、单元质量矩阵、单元结点力矩阵的构造和计算公式出发,提出了将单元区域的积分,采用类似层合梁单元的思路,将其用单元内若干层或段的小区域的积分之和来代替,而每一层和段可以分别描述不同的几何形状和材料特性,这样就可以方便地将结构物的整体形状和特性描述出来,如图2。
图2 典型虚拟层合板壳单元截面的分层分段在此基础上,进一步引进“虚拟层”和“虚拟段”的概念(必要时为描述几何形状、变形特性还应引入虚拟并非真实的结点)。
所谓“虚拟层”或“虚拟段”,是指该“层”或该“段”实际上可以没有材料,或假想该“层”或该“段”的某些材料特性参数(如弹性模量E、G等)为零,如箱梁结构的中空的箱室部分等,其材料的弹性模量E、G可以为零,即该“层”或该“段”为空。
这样通过层间夹“空层”、“空段”或层外补“空层”、“空段”来构造单元,一方面,一个单元可有多种分层的不同材料,一层中还可以有多种材料,甚至可以没有材料,避免了原来需要多个单元才能进行分析和多层不同材料归为一个单元内部的层的弊端,从而减少了单元数,提高了计算效率;另一方面,使一些具有复杂几何形状的结构可以由单元内部的分层或分段来处理,从而避免了单05 中 外 公 路 22卷 元局部细节的结点连接带来的一系列问题。
这就是“虚拟层合单元”的独到之处,根据这一思路,它不仅可以粗放地划分单元,并且可以方便地考虑各种材料的差异及分布情况。
通过对金塘海峡阿基米德桥的空间分析研究得出了以下一些结论:1)像阿基米德桥这种复杂工程结构,在各种荷载作用下,表现出弯曲、扭转、畸变、翘曲、剪力滞等复合受力,力学特性十分复杂。
一般来讲应力沿横截面的分布非常不均匀,且随着纵向截面位置、结构的宽跨比、支承条件及荷载而变化。
因而难以用简单的三维梁单元理论及单一的剪滞系数或增大系数来描述。
因此,在用一般的梁理论分析设计较宽的阿基米德桥后,有必要用空间分析方法进行空间应力分析,以避免设计的盲目性,确保结构的正常使用和安全。
2)针对传统的空间有限元数值分析法在求解较复杂工程结构建模时输入数据量大、单元划分多(有时多达十万、甚至上百万个单元)、不同单元有时拼装较为困难,而且有些夹在结构物中的材料特性难以描述和模拟等方面的缺陷,提出了一种方便、高效的空间分析理论———虚拟层合单元法,并将其成功用于阿基米德桥的空间分析研究。
它突破了传统的空间有限元数值分析法对结构的不同材料必须采用不同单元的限制,用较少的单元就能够方便模拟和描述各种复杂的结构及包括剪力滞、扭转和畸变在内的各种力学性态,因而具有计算效率高、适用范围广的优点。
在同济大学和中国科学院等单位的学术报告会上,意大利的专家学者及同济大学的李永盛教授等分别就金塘海峡悬浮隧道及水下基础、锚缆索或杆及两岸的衔接等设计、施工工艺的技术要求及经济分析评价等问题展开研讨。
所有这些研究在一定程度上推动了悬浮隧道在我国的研究。
4 悬浮隧道应解决的关键技术问题悬浮隧道完全不同于一般水工和近海工程结构物,在修建前期应重点研究和解决以下几个关键技术问题。
4.1 现场特征调查和收集包括当地的地质条件、海底地貌和地质的调查,水流环境的特征,地震灾害的资料,影响“SF T”设计的其他因素调查,环境影响评价的数据收集等。
4.2 设计标准和荷载条件研究它包括永久荷载,如自重荷载、浮力、静水压力等;功能性荷载,如交通荷载、施工荷载、压重荷载等;环境荷载如各种波浪力、地震力、腐蚀等;偶然荷载如各种碰撞力、爆炸力、火灾、渗漏等。
4.3 截面形状和主要构筑物研究截面形状应根据运营目标、设计荷载和交通量等,综合考虑防灾和耐久性,优化确定。
一般从满足汽车和铁路交通的角度出发,主要有圆形和箱型截面,内设排风、逃生通道及压水仓和排水仓等,以确保安全。
主要构筑物由管状结构、水下基础、锚缆索或杆及两岸的衔接等组成。
管状结构根据运营目标选择钢筋混凝土或预应力混凝土的箱室结构或钢管结构;锚缆系绳根据水的深度或连至浮箱、或连至海底锚碇装置,锚缆系绳也可根据两岸及地质条件采用不同的布置方式;水下基础一般采用锚碇装置,或采用重力式、或采用技术上较为先进的与海底岩石相互嵌合的桩基础。
对两岸的连接,应研究考虑采用合适的柔性接头。
4.4 结构分析和设计理论方法研究结构分析主要采用有限元技术。
分析中应包括线性和非线性情况下静力和动力、地震力作用下的结构特性与机理的研究,研究中应尤其注意考虑流体和结构的相互耦合作用,必要时还应结合模型试验和理论分析对比研究。
结构的设计应根据结构可靠度理论对包括正常使用极限状态、强度极限状态、渐进破坏极限状态、疲劳极限状态等工况下的受力和变形进行分析验算。
如极端的环境荷载(如:波浪、流、地震)、由于外部灾难事件(如沉船、空中掉落的物体或潜艇与隧道或系绳的碰撞,或与内部事故有关的工况,如列车碰撞或爆炸等)引发的偶然的条件及由于某些主要构件的恶化或坍塌导致的一些损坏条件均应进行相应的研究和安全性计算分析,提出对策和防护措施。
防护措施可分为主动和被动控制系统。
主动控制系统包括:火灾探测和扑救,压舱和排水舱,排水,通风,远程通讯,外部和内部交通控制系统,应力应变监控系统等。
