摘 要

水中悬浮隧道又被称为阿基米德桥，作为一种新型的跨水域交通方式，因为它受环境干扰小、造价相对低等优点日益受到众多专家学者的重视。但是在设计水中悬浮隧道时必须考虑到水下爆炸等极端条件下水中悬浮隧道的安全问题。因此本论文将作用在水中悬浮隧道上的爆炸荷载用经验公式来模拟，用梁模型模拟水中悬浮隧道管段，用弹簧模型模拟使水中悬浮隧道固定在水下一定深度的固定系统，然后对水下爆炸作用下水中悬浮隧道的动力响应问题进行分析研究，通过改变水中悬浮隧道的相关参数如水中悬浮隧道长度、系泊系统刚度、水中悬浮隧道横截面尺寸，分析在水下爆炸产生的一定荷载情况下对水中悬浮隧道动力响应的影响。分析结果表明随着悬浮隧道长度的增加，管体的动力响应增强；随着系泊系统刚度的增加，管体的动力响应减弱；随着截面尺寸的减小，管体的动力响应增强。

关键词：水下爆炸；水中悬浮隧道 ；动力响应；弹性地基梁

Abstract

Submerged floating tunnel is also known as Archimedes bridge, as a new type of cross-regional traffic, because it is subject to environmental interference is small, the cost is relatively low, the advantages of many experts and scholars increasingly attention. However, in the design of water suspended tunnel must take into account the underwater explosion and other extreme conditions of Submerged floating tunnel safety issues. Therefore, this paper simulates the explosive load on the suspended tunnel in the water. The beam model is used to simulate the suspended tunnel in the water. The spring model simulates the fixed system in which the suspended tunnel in the water is fixed at a certain depth underwater. Study on Dynamic Response of Suspended Tunnel in Water under Explosive Action. The influence of the suspended tunnels in the water, such as the length of the suspended tunnels in the water, the rigidity of the mooring system, and the cross - sectional dimensions of the suspended tunnels in the water are analyzed. The influence of the underwater explosion on the dynamic response of the suspended tunnels in the water is analyzed. The results show that the dynamic response of the tube increases with the increase of the length of the suspended tunnel. With the increase of the rigidity of the mooring system, the dynamic response of the pipe body is weakened. With the decrease of the cross section size, the dynamic response of the pipe body is enhanced.

KEYWORDS: underwater explosion; submerged floating tunnel; dynamic response; elastic foundation beam

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 课题背景 1

1.1.2 课题研究的意义 1

1.2 水中悬浮隧道的概念 2

1.2.1 水中悬浮隧道的特点 3

1.3 国内外现状 3

1.3.1 国外研究现状 3

1.3.2 国内研究现状 5

1.4 研究内容与方法 6

1.4.1 主要研究内容 6

1.4.2 主要研究方法 6

第2章 水下爆炸 7

2.1 水下爆炸的概念 7

2.1.1 水下爆炸物理现象 7

2.1.2 水下爆炸造成的结构毁伤 8

2.2 水下爆炸计算方法 10

2.2.1 水下冲击波 10

2.2.2 水下爆炸载荷经验公式 11

第3章 水中悬浮隧道动力响应 15

3.1 引言 15

3.2 水中悬浮隧道模型 15

3.3 水中悬浮隧道运动方程 16

3.4 有限元法和ANSYS软件 17

3.5 水中悬浮隧道尺寸 17

3.6 数值模拟 18

3.6.1 悬浮隧道长度影响分析 19

3.6.2 锚固系统刚度影响分析 21

3.6.3 管段截面影响分析 22

第4章 总结与展望 25

4.1 工作总结 25

4.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 课题背景

进入21世纪以来，我国各种跨水域的交通方式和技术日益成熟，如各种桥梁、隧道等技术都已经走在了国际前列。然而，仍然有许多方由于自然条件的限制，传统的跨水域交通方式难以实现，例如平均水深为44米最大水深为144米全长为80公里的琼州海峡将祖国大陆和海南岛分隔开，传统的跨水域交通方式如桥梁、隧道等难以在这样恶劣的自然环境下成功建造。至今仍然依靠飞机和轮船等传统方式联系两岸，严重阻碍了两岸的贸易和文化交流。在这种情况下一种新型跨水域交通方式—水中悬浮隧道应运而生。

面对琼州海峡相对复杂苛刻的水域环境，传统的跨水域交通方式如向上跨越式的桥梁、向下穿越式的隧道等面临着施工工艺上的难度和施工的经济、社会成本等众多问题。在这种水域环境下，修建水中悬浮隧道是最有效、最经济的解决途径。由于水中悬浮隧道依靠浮力和锚固系统使其固定在水下一定范围内，施工工艺上的难度和水中悬浮隧道的长度几乎没有关系，单位水中悬浮隧道长度的施工的经济、社会成本随着水中悬浮隧道长度的增加几乎不变，而其它跨水域交通方式随着主体长度的增加，施工工艺上的难度越来越大，单位主体长度的施工的经济、社会成本会急剧增加。正是由于作为新型跨水域交通方式的水中悬浮隧道具有如此巨大的优势，才引起了学术界及国际工程界的极大兴趣，从目前国内外研究现状和成果来看水中悬浮隧道具有极高的实用价值。

1.1.2 课题研究的意义

水中悬浮隧道不仅长细比大还仅仅依靠相对柔性的锚固系统使其固定在水下一定深度，这使得它比传统的隧道更容易在外界载荷作用下发生振动现象。然而到目前为止，水中悬浮隧道的理论研究还有许多领域需要完善，离在实际当中修建水中悬浮隧道还有很长的一段距离，因此水中悬浮隧道在变成现实之前需要解决它在外界环境荷载作用下的力学特性、结构的破坏机理、破坏模式等众多科学技术问题。

水中悬浮隧道的设计与建造在众多急需解决的问题当中，安全问题是研究和建造者最主要考虑的问题，用于运输的水中悬浮隧道（SFT）必须设计成在意外事件的情况下确保乘客的安全。当水中悬浮隧道周围发生水下爆炸时水中悬浮隧道会受到巨大的危害，甚至发生断裂。然而，人们对水下爆炸作用下水中悬浮隧道动力响应的研究还很有限，仍有许多关于水中悬浮隧道动力响应的研究的问题需要解决。因此有关水下爆炸作用下水中悬浮隧道研究日渐受到重视，它在水中悬浮隧道在保证安全的情况下进行设计、施工等方面起着举足轻重的作用，不仅能够减少发生工程破坏的情况，还能带来极高的经济效益。

1.2 水中悬浮隧道的概念

水中悬浮隧道(Submerged Floating Tunnel)又称为阿基米德桥^[1]。它的设计原理是根据阿基米德浮力定理而来。水中悬浮隧道是一种被固定在水下一定范围内的管状隧道，仅依靠自身在水中产生的浮力支撑本身的重量从而使水中悬浮隧道固定在水下一定的位置，这类似于隐藏在水下的封闭的桥梁。