悬浮隧道的力学响应探讨
地铁隧道结构动力响应的分析与优化
地铁隧道结构动力响应的分析与优化I. 绪论随着城市化进程的加速和人口的不断增长，城市交通不断面临着新的挑战。
地铁作为城市快速交通系统的重要组成部分，越来越受到人们的青睐。
然而，地铁建设涉及到大量的工程技术问题，其中一个重要的问题就是隧道结构的动力响应。
本文针对地铁隧道结构的动力响应进行分析与优化，旨在提高地铁的安全性与运行效率。
II. 地铁隧道结构动力响应的分析1. 地铁隧道结构和动力响应地铁隧道结构是地铁建设的重要组成部分。
地铁隧道结构的动力响应是指地铁列车行驶过隧道时，由于列车的振动作用于隧道结构上，从而引起隧道结构的变形和振动。
这种动力响应会对地铁的运行安全产生影响。
2. 地铁隧道结构动力响应的影响因素地铁隧道结构的动力响应受到多种因素的影响。
其中主要因素包括：列车速度、列车轴重、隧道结构的固有频率、地质条件等。
3. 地铁隧道结构动力响应的计算方法地铁隧道结构的动力响应分析通常采用有限元方法。
该方法基于隧道结构和列车的数学模型，通过数值计算得出隧道结构在列车行驶过程中的变形和振动。
为了获得精确的计算结果，所选定的数学模型应尽量符合实际情况。
III. 地铁隧道结构动力响应的优化1. 地铁隧道结构的减振措施隧道结构的减振措施是指通过采用减振材料或减振装置等方法，降低列车行驶对隧道结构的振动影响。
比较常见的减振措施包括：振动隔离板、减阻隔振板、弹性垫等。
2. 地铁隧道结构的抗震设计地铁隧道结构的抗震设计是指针对地震等自然灾害，对隧道结构进行设计和改进，提高其防震能力。
抗震设计的主要措施包括：控制地震响应震级、减小地震响应周期、增强结构抗震能力等。
3. 地铁隧道结构的优化设计地铁隧道结构的优化设计是指根据动力响应的分析结果，对隧道结构进行改进和优化，提高其整体的安全性和运行效率。
优化设计的关键是尽量减小动力响应，降低结构产生的振动和变形。
IV. 结论地铁隧道结构的动力响应是地铁建设中需要注意的重要问题。
阿基米德桥,是水下悬浮隧道,不是桥!
阿基米德桥，是水下悬浮隧道，不是桥！阿基米德桥又名水下悬浮隧道，简称SFT （SubmergedFloatingTunnel），是跨越深水域的新交通方式。
实质上它是一个在水底浮动的管状隧道，依靠浮力支撑隧道重量，取名由阿基米德原理而来。
为避免影响水上交通及被天气影响，隧道建于水底，但为免承受过大水压，常建于20-50米深，也便于大吨位船只通行。
为保持水中深度，隧道以钢索及浮台固定，防止太浅或太深。
阿基米德桥横截面可以为椭圆形或圆形，长度可达几千米，宽度可达几十米，可通行汽车，也可建成多通道，同时通行汽车和火车。
由于技术上的一些难题没有解决，并且没有相应的设计、建设标准，目前世界上还没有一座真正的阿基米德桥。
而一旦建成，阿基米德桥将成为一种新的交通方案供人们选择。
更为重要的是，阿基米德桥适用于跨度较大、水位较深等不适宜建桥、隧道的地点。
阿基米德桥的概念最早是在20世纪初提出的。
20世纪60年代，英国人曾就意大利墨西拿海峡的阿基米德桥提出了概念设计。
意大利阿基米德桥公司成立于1984年，其重要业务之一就是推动阿基米德桥的设计和实现。
上世纪90年代后期，阿基米德桥公司曾和中国浙江省有关部门合作，致力于在舟山群岛建设金塘海峡阿基米德桥，后因种种原因设计方案未被采纳。
由想象到现在也已有上百年的历史。
经过长时期的酝酿，特别是很多离岸海洋工程的建造技术的发展，SFT的设计思想才日臻成熟起来。
意大利学者Faggiano and Mazzolani，2001对此进行了大量可行性研究，旨在使SFT概念及其基本设计理念更为实用化。
具有里程碑意义的是1969年Alan Grant 对跨麦森纳海湾( Messina Strait)提出的阿基米德桥的结构设计。
它由三个增强混凝土圆管构成，外边用钢管保护。
锚固系统是斜拉钢索。
千岛湖下的阿基米德桥中国科学院力学研究所与意大利那波里大学、米兰理工大学和阿基米德桥公司合作的“中意阿基米德桥联合实验室”进行技术攻关，实验室阶段的研究工作已经告一段落，理论研究、计算分析，数据测试已经得到一定结果，实验室制造的模拟桥的试验已经通过。
海底悬空管道的动力响应问题研究方法
海底悬空管道的动力响应问题研究方法卢召红;高珊珊;刘迎春;闫亮【摘要】在归纳了国内外学者对海底悬空管道动力响应研究成果的基础上,总结出了关于求解波浪荷载的方法、悬空管道模态分析方法及影响动力效应的主要因素,为海底悬空管道的进一步研究分析和设计施工奠定了基础.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2017(043)018【总页数】4页(P12-15)【关键词】波浪荷载;模态分析;动力响应;悬空管道【作者】卢召红;高珊珊;刘迎春;闫亮【作者单位】东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318【正文语种】中文【中图分类】TU311目前，随着海上油气开采量的逐年剧增，海底管道已成为海上油气输送的主要方式之一[1]。
然而，海底管道因波浪冲刷、残余应力等原因形成悬空节段。
悬空节段长期受波浪荷载、潮流冲刷、地震力等往复作用，易形成涡激振动，增加管道的失稳破坏风险[2]。
一旦海底管道发生泄漏将严重的污染海洋环境,且很难立即完成管道修复恢复正常运营。
因此研究悬空管道的动力特性，分析影响动力响应因素，避免悬空管道失稳破坏显得尤为重要。
此文在归纳总结国内外学者对海底悬空管道动力响应研究成果的基础上，整理出波浪荷载的计算、模态分析、动力响应等方面的研究现状及发展趋势，提出了关于海底悬空管道动力响应的未来发展趋势，为进一步研究提供基础。
海底悬空管道主要承受波流荷载的作用，该作用对管道的影响较大[3]。
波流力经常成为海中结构物的主要控制荷载[4]，是决定设计方案和控制工程造价的重要因素之一。
海流流经悬空管跨时，对悬跨节段易产生涡激动力效应，动力效应是决定海底管道的使用周期和引起管道失稳的主要因素[5]。
因此波流力对管道的安全及疲劳破坏起着重要作用。
隧道超挖的围岩力学响应数值模拟分析
隧道超挖的围岩力学响应数值模拟分析摘要：以勐松一号隧道为研究对象，对隧道段开挖过程进行数值模拟，研究了隧道埋深及超挖对围岩力学响应的影响规律，研究分析表明：①在不同埋深下，围岩等效应力最小值出现在拱顶位置，等效应力最大值出现在拱脚位置；②隧道洞身拱顶位置收敛变形量最大，拱脚位置变形量往往最小；③在相同埋深条件下，相同超挖对应的等效应力值随埋深增加而不断增大；同一位置围岩的变形量随埋深的增加而增大。
关键词：隧道；隧道超挖；数值模拟；隧道变形1.引言随着我国铁路工程技术的快速发展，长大隧道施工也越来越多，由于云南地区围岩地质条件复杂，岩质情况变化较快，面临的各种各样的问题也会越来越多，超欠挖已成为影响施工质量其中的关键性因素之一。
基于激光轮廓分析技术建立的隧道轮廓质量指数（TCI），认为TCI建立在激光剖面的基础上技术可用于更有效地管理隧道轮廓质量。
借助有限元软件程序，数值模拟得出超欠挖部位应力集中的数值解和塑性区的影响范围；计算发现隧道超欠挖数值分形维数与节理间距呈相应的线性关系；用有限元方法得出超挖值与深度对隧道整体自稳性的数量关系。
本文从工程实际的地质情况出发，结合现有的标准规范和研究成果，在不同工况下在结合不同的隧道超欠挖形式，利用有限元软件，对不同类型的工况进行模拟和计算，利用数值模拟的方法，研究了隧道埋深和超挖厚度对围岩力学响应的影响规律。
2.工程概况勐松一号隧道进口里程DK415+446，出口里程DK418+160，全长2714m，隧道最大埋深354m。
以施工图为准：Ⅲ级围岩长1830m，占67.43%。
Ⅳ级围岩总长635m，占总长23.40%。
Ⅴ级围岩总长249m，占9.17%。
围岩岩性主要为砂岩局部夹页岩、泥灰岩；页岩夹板岩、泥岩及薄层状灰岩。
页岩夹泥岩结构、其节理裂隙水较发育，具有吸水膨胀、软化的特征。
区域内发育有旧龙老寨断层，交洞身于DK416+210~DK416+240处，为正断层。
悬浮隧道锚索黏弹性阻尼器的最优阻尼系数
悬浮隧道锚索黏弹性阻尼器的最优阻尼系数孙胜男;陈健云;苏志彬【摘要】Taking the system that consists of a tether and a visco-elastic damper as research object, the vibration equation of tether and visco-elastic damper was set up considering tether sag effect. By means of Galerkin method, the partial differential equation was transformed into a set of ordinary ones. The maximum damping ratios and corresponding optimal damper coefficients were obtained after complex eigenvalue analysis. The effects of tether inclination and sag on its maximum damping ratio were researched. The results show that the corresponding optimal damper coefficients are different when different modes reach the maximum damping ratios. The mode order increases, and the corresponding optimal damper coefficient decreases. The maximum damping ratio of first in-plane mode is smaller than those of others due to the existence of tether sag. Inclination and sag of tether merely affect the maximum damping ratio of first in-plane mode.%以锚索和黏弹性阻尼器组成的系统为研究对象，建立锚索-黏弹性阻尼器的振动方程；通过伽辽金法得到系统的振动常微分方程，然后进行复特征值分析，得到锚索可能达到的最优阻尼比以及相应的最优阻尼器系数，分析锚索的倾角和垂度对锚索最优阻尼比的影响。
磁悬浮研究现状
磁悬浮研究现状摘要在如今追求客运高速化发展的形势下，由于轮轨车辆运行受轮轨条件约束，提速空间受到限制，磁悬浮列车成了今后高速铁路发展的一大趋势。
磁悬浮运行不同于传统的轮轨接触运行，不同速度下以及在通过不同曲线的情况下，车桥耦合系统动力学响应不同于轮轨车辆。
因此对于磁浮车桥耦合系统动力学的研究很有必要。
关键词：磁悬浮；车辆；磁浮铁路1.1磁悬浮特点、类型及原理1.1.1磁悬浮列车特点中低速磁浮车辆与轮轨车辆相比，其优点有提速空间大，可高于轮轨极限速度、噪声小，乘坐舒适平稳、无轮轨直接接触，运行阻力较小、爬坡能力较强；缺点有磁浮车辆由于其是抱轨运行，过道岔困难，故适用于点对点的简单线路运输。
还有便是造价高昂，运行维护较为困难。
1.1.2磁悬浮类型磁悬浮列车按其采用的电磁铁种类可以分为永久磁铁同极相斥型、常导电磁铁吸引型和超导磁斥型三大类。
(1)永久磁铁同极相斥型利用永久磁铁同极间的斥力，一般产生的斥力为0.1MPa, 其能克服常导悬浮磁铁温度过高、功耗较大的问题，但缺陷为横向位移的不稳定因素和成本过高、维护困难，适合于低速运输。
(2)常导电磁铁吸引型以德国高速常导磁浮列车为例，利用电磁铁吸附原理进行悬浮，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。
常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400~500公里，适合于城际及市郊的长距离快速运输。
(3)超导磁斥型以日本高速超导磁浮车辆为例，它使用超导体的悬浮原理，使电磁铁与钢轨之间产生斥力，使列车悬浮运行，这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上，有“陆地飞机”之称。
1.1.3磁悬浮原理磁悬浮最主要原理为电磁感应原理，磁悬浮后两种类型的悬浮原理如下图1.1所示图1.1磁浮车辆悬浮原理1.2磁悬浮列车组成磁悬浮列车主要由悬浮系统、导向系统、推进系统三部分组成。
其中高速磁浮列车的导向系统由专门的导向电磁铁提供导向力，而中低速磁浮列车一般不设置专门的导向电磁铁，其导向系统中最主要的一部分为迫导向机构，迫导向机构不与轨道接触。
【国家自然科学基金】_悬浮隧道_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731
科研热词 悬浮隧道 隧道工程 随机振动 锚索 蒙特卡罗法 稳定性 涡激振动 海洋工程 波动方程 水中锚索 数值模拟 悬浮隧道锚索 平面p-波 大涡模拟 垂度 周向压力分布 参数激励 升阻力系数 动网格 动水荷载 位移势函数
推荐指数 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
科研热词 悬浮隧道 锚索 黏弹性阻尼器 非线性 隧道工程 荷载分析 涡激动力响应 波流力 截面设计 大涡模拟 均匀流 周向压强分布 morison方程
推荐指数 4 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
科研热词 悬浮隧道 隧道工程 涡激 洋流 模型试验 数值模拟 应变 非线性 阻力系数 锚索 管体 涡激振动 波浪力 水中悬浮隧道 模态 有限元 数值 支撑 张力腿 失稳 均匀流 响应 双尖点突变 升力系数 动力学行为 动力响应 判据 hamihon原理
推荐指数 7 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
2014年 科研热词 悬浮隧道 高精度 锚索松弛 磁悬浮 研究内容 理论模型 水下结构 悬浮陀螺 建设领域 寻北 定向系统 基础 参数激励 关键技术 全站仪 伽辽金法 推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5
科研热词 混沌运动 涡激 数值模拟 悬浮隧道 melnikov函数
推荐指数 1 1 1 1 1
随机地震激励作用下水中悬浮隧道锚索的动力响应
随机地震激励作用下水中悬浮隧道锚索的动力响应董满生;赵佳佳;牛忠荣;耿淑伟【摘要】Nonlinear dynamic equation of anchor cable of submerged floating tunnel(SFT) was established, where Morison formula was applied to taking the influence of water upon structure dynamic response into consideration. The series solutions of structure dynamic equation were obtained based on modal decomposition method, and the nonlinear terms of dynamic equation were simplified by e-quivalent linearization method. The dynamic response of SFT's anchor cable to random seismic excitation was simulated by virtual and motivating method, and the displacement and velocity power spec-trums of anchor cable were presented. The dynamic behavior of SFT' s anchor cable under random seismic excitation was achieved by analyzing the displacement and the velocity power spectra.%文章采用Morison公式,考虑水体对结构动力响应的影响,建立地震作用下水中悬浮隧道锚索的非线性动力方程；运用振型分解法求解结构动力方程系列解,等效线性化处理动力方程非线性项,采用虚拟激励模拟随机地震输入,数值模拟随机地震下水中悬浮隧道锚索的动力响应,给出锚索的位移和速度功率谱；通过位移和速度功率谱分析可得随机地震激励作用下水中悬浮隧道锚索的动力行为.【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(036)001【总页数】5页(P74-78)【关键词】水中悬浮隧道;锚索;随机地震;虚拟激励;几何非线性【作者】董满生;赵佳佳;牛忠荣;耿淑伟【作者单位】合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】U459.50 引言水中悬浮隧道（Submerged Floating Tunnel，简称SFT）又称阿基米德桥，是一种悬浮在水面下方的通道，对于那些由于环境限制使得水域难以跨越的地方，悬浮隧道提供了跨越的可能性。
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悬浮隧道的力学响应探讨
面对宽广的海域，往往我们可以利用的交通手段极为有限，现在，科研专家提出了一种新型的交通通道，那就是水中悬浮隧道。
在水中，隧道的受力情况不同于传统的地下隧道，它受到多种海洋荷载的作用。
如何处理这些荷载以及悬浮隧道的动力响应是我们不能忽视的问题。
标签：悬浮隧道；动力响应；锚固方式；张力腿
1、前言
当面对江河等比较窄的水域时，人们往往利用桥梁或隧道而快速通行，但是，一旦面对褚如湖泊、峡湾甚至海洋等宽阔水面，人们通常采用船舶或者跨海大桥通行。
继开辟陆地和空中的快速通道后，如何快速跨越广袤的水域是人类要实现的下一个梦想，而悬浮隧道最终将使得人类实现这一梦想。
悬浮隧道，确切地说，是一种跨越海峡、湖泊以及其它水域的交通结构物，它一般由浸没在水中一定深度的管状结构、防止过大位移的锚固系统以及近岸连接的构筑物组成。
从结构载荷以及结构形式的角度来看，悬浮隧道更像是一种全封闭的水下桥梁，而与普通意义上的隧道有很大差别；但从使用角度来看，这种结构具有隧道的所有特点，因而被认为是“隧道”而不是“桥梁”。
2、悬浮隧道简介
水中悬浮隧道，英文名称“Submerged Floating Tunnel”，简称“SFT”。
在意大利又称“阿基米德桥（Archimedesbridge）”，简称“PDA”桥，是一种新型的穿越水域交通结构物。
水中悬浮隧道从原理上讲非常简单，主要是利用水的浮力、自身重力和锚固体系共同作用。
由于管段的中间是空的，整个管段的体积很大，获得的浮力也就很大，管段因此浮在水中，而本身还受到锚固体系的作用，形成一条稳定横贯在水中的隧道，其方法和我们在地下埋管道类似，土壤好比湖泊或者海峡里的水，地下管道就像悬浮在水中的隧道。
不同的是，地下管道借助的是土壤的支撑，而水中悬浮隧道借助的是水的浮力。
但是，水中悬浮隧道面临的问题要比地下管道复杂得多，因为管段在水中远没有在土壤中那么稳定，作用在隧道上的力不单单只有浮力，并不容易控制。
根据锚固方式的不同可将悬浮隧道分为以下三类：张力腿式悬浮隧道、浮筒式悬浮隧道以及固定支撑式悬浮隧道。
张力腿式悬浮隧道采用的原理是在設计过程中通过调整管体断面，使得结构的整体比重小于水的比重，在浮力与重力的共同作用下使隧道整体保持一个上浮的状态，悬浮隧道管体则通过锚索与海床的基础连接而实现固定目的。
浮筒式悬浮隧道的设计原理是利用调整管体断面，使得结构的比重大于水，在重力与浮力的共同作用下，使得悬浮隧道整体保持下沉的状态，悬浮隧道管体之间的固定则采用锚杆与水面浮筒的连接来实现。
固定支承式悬浮隧道的设计原理是调整管体断面，保证结构整体比重大于水，在重力和浮力的共同作用下，让悬浮隧道整个处在下沉状态，悬浮隧道管体则通过立柱支撑
在设计标高处。
3、悬浮隧道力学响应机制
由于悬浮隧道直接处于波流作用的环境中，因此海流、波浪荷载是悬浮隧道所受最主要的环境荷载。
流体荷载常常是设计海洋结构物的控制荷载，它对工程的造价、安全度及工作寿命起着举足轻重的作用。
悬浮隧道在修建和使用过程中所处的环境条件都非常复杂，由于海浪方向多变性及漩涡交替释放而产生的涡激作用力，悬浮隧道总会受到随时间变化的动荷载作用，动力性态是它的一个显著特征。
由于悬浮隧道结构细长比大，其固有频率范围比较广，当作用荷载的频率与结构的某一阶频率相接近时便会引起结构的显著振动，在其内部产生很大的内动力，以致结构破坏或产生不允许的变形。
因此悬浮隧道动力问题的研究就成为了分析重点。
4、张力腿研究
水中悬浮隧道通过重力、浮力以及支撑系统之间的平衡悬浮在水下一定深度，且利用支撑系统维持悬浮隧道的稳定性。
当悬浮隧道所受浮力大于重力时，则可采用锚索（张力腿）将其与水下的基础连接起来，并平衡悬浮隧道的剩余浮力。
作为悬浮隧道的支撑结构，锚索（张力腿）处于波浪和流的环境中，其自身的稳定直接影响到悬浮隧道的稳定性。
因此，研究锚索（张力腿）在波浪和流作用下的动力响应问题尤为重要。
由管段和支撑系统组成的水中悬浮隧道为那些受环境限制的水域提供了穿越的可能性。
以其在相比于传统的跨越水域的固定方式具有能有效地减小对环境景观的影响、良好抵御自然灾害的能力、跨度增加而工程造价不显著增加等优点而日益受到人们的重视。
在既有的研究文献中，对悬浮隧道张力腿的涡激振动问题研究得较多也较为深入，而对悬浮隧道本身的涡激振动问题研究得较少；在仅有的关于悬浮隧道管段本身的涡激振动研究中，无论是单跨悬浮隧道还是多跨悬浮隧道都简化成单跨的简支梁来研究；在研究悬浮隧道自身的振动中考虑锚索的影响则更少。
在洋流涡激作用下，悬浮隧道会发生横流向振动，采用张力腿固定的悬浮隧道的张力腿在管体振动下会沿轴向发生变形，由于考虑到悬浮隧道修建的昂贵性和破坏后的灾难性，悬浮隧道管体和张力腿的振动变形都是在材料弹性变形范围内进行。
总结：
通过上述对水中悬浮隧道的力学响应的基本探讨，总结出以下几点观点：
1）现有文献主要针对悬浮隧道的管段形状、链接方式、锚固方式进行探讨，很多模拟的模型都采用简化的方式，在一定程度上造成对真实环境模拟的不足；
2）在管段、锚固件与流体之间的流固耦合作用并不能完整的模拟出固体-流体之间相互作用的情况，现有的计算方式都存在着一定的弊端；
3）针对悬浮隧道的一些建造、营运、维护方式还需进一步完善文献，悬浮隧道不同于往常现有的交通形式，要做到未雨绸缪才能更好地建造悬浮隧道。
参考文献：
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孔鹏，1989，10，29，男汉，籍贯：山东济宁，重庆交通大学，研究方向：工程结构动力学方向。