一种悬浮隧道三维弹性模型的设计方法及三维弹性模型技术

本发明专利技术涉及悬浮隧道物理模型试验领域，特别是一种悬浮隧道三维弹性模型的设计方法、三维弹性模型及悬浮隧道的设计方法。该三维弹性模型的设计方法在严格的弹性相似难以实现且悬浮隧道主要关注挠度变化的情况下，考虑了模型与原型的抗弯刚度相似，通过抗弯刚度相似处理模型的弹性相似问题，从而能够得到能够反映悬浮隧道真实响应规律的三维弹性模型，且这种设计方法的设计制作难度较低。通过该设计方法可以得到悬浮隧道三维弹性模型，并能够用于指导悬浮隧道的设计。

Design method and three-dimensional elastic model of suspension tunnel

【技术实现步骤摘要】
一种悬浮隧道三维弹性模型的设计方法及三维弹性模型
本专利技术设计悬浮隧道物理模型试验领域，特别是一种悬浮隧道三维弹性模型的设计方法及三维弹性模型。
技术介绍
现今国内外对于悬浮隧道的研究，局限于数学预测模型与二维水槽试验，这些研究不能完整获得悬浮隧道的真实物理响应规律，开展悬浮隧道相关三维物理模型试验是极有必要且有意义的。此前，未见悬浮隧道三维物理模型试验构想，关于三维弹性模型的制作更是空白，建立精确可靠的三维弹性模型，是开展悬浮隧道三维物理模型试验的基本条件，而此前相关研究几乎为零。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的未见悬浮隧道三维物理模型试验构想、从而无法获取较为准确的悬浮隧道的真实物理响应规律的不足，提供一种悬浮隧道三维弹性模型的设计方法及弹性模型，其考虑了悬浮隧道的弹性，从而有助于针对悬浮隧道的真实物理响应规律得到更加准确的研究结果。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种悬浮隧道三维弹性模型的设计方法，包括以下步骤：S1.确定尺寸缩尺比λ以及所述悬浮隧道三维弹性模型用于模拟的原型的尺寸、重力和抗弯刚度参数；S2.根据尺寸缩尺比λ以及原型参数计算模型参数，包括步骤S21、步骤S22和步骤S23：S21.确定悬浮隧道三维弹性模型的抗弯刚度，使其满足条件一：其中，Kp为原型的抗弯刚度，Km为模型的抗弯刚度；S22.确定悬浮隧道三维弹性模型的重力，使其满足条件二：其中，Gp为原型重力，Gm为模型重力；S23.确定悬浮隧道三维弹性模型的横截面尺寸，使其满足条件三：其中，lp为原型线性尺寸，lm为模型线性尺寸；步骤S21、步骤S22和步骤S23的顺序可调换。现有技术中并没有开展悬浮隧道三维弹性模型试验的相关经验可借鉴。专利技术人在实现本专利技术的过程中发现，对于悬浮隧道的三维物理模型试验，存在以下问题：一方面，对于水下物理模型试验中的其它的常规研究对象，其水下物理模型通常按照一定缩尺比、遵照弗洛德(Froude)相似准则进行制作，不考虑模型的弹性相似；然而对于跨度较长的悬浮隧道而言，忽略弹性相似将导致实验结论的不准确。另一方面，区别于空气中进行的物理模型实验，对于水下模型，由于水的密度不可忽略，在考虑重力相似的条件下，完全的弹性相似(即完全符合弹性相似准则)是很难实现的。而对于悬浮隧道，主要关注的变形在于悬浮隧道在波浪或撞击物等作用力作用下的挠度变化情况，因此，本申请中采用抗弯刚度相似处理模型的弹性相似问题，即：通过第一结构件使悬浮隧道三维弹性模型的抗弯刚度与原型的抗弯刚度相似，并在模型与原型的抗弯刚度相似的情况下，视为模型与原型满足弹性相似。本专利技术所述的原型是指：在实验时，考虑实际工程中可能采用的悬浮隧道的材料和设计尺寸、以及实验环境的模拟能力，确定一悬浮隧道的设计参数，并将该悬浮隧道的作为原型。条件三是指：模型与原型的任意对应尺寸之间的比值为常数λ。当模型与原型之间的关系满足条件三时，即模型与原型几何相似。条件二是指：模型的总重力与原型的总重力满足弗洛德相似准则，即模型的总重力与原型的总重力之比为λ3。当模型与原型之间的关系满足条件三时，即模型与原型的总重力满足弗洛德相似准则。条件一是指，模型的抗弯刚度与原型的抗弯刚度之比满足弹性力相似准则，即模型的抗弯刚度与原型的抗弯刚度之比为λ5。当模型与原型之间的关系满足条件三时，即模型与原型几何相似。当模型与原型之间的关系满足条件三时，即模型与原型的抗弯刚度满足弹性相似准则。需要说明的是，条件三、条件二和条件一为理论上的要求，在实际的模型制作中，必然会存在误差，本领域技术人员可以根据实验所允许的加工精度和制作难度确定允许的误差范围。作为本专利技术的优选方案，上述设计方法还包括以下步骤：S3.确定第一结构件的形状、尺寸和材料，使第一结构件的抗弯刚度满足条件一的要求，且使第一结构件的横截面尺寸小于或等于条件三所要求横截面的尺寸；S4.确定第三结构件的形状、尺寸和材料，第三结构件设置所述第一结构件外侧，用于使所述悬浮隧道三维弹性模型的横截面尺寸满足条件三；S5.确定第二结构件的形状、尺寸和材料，第二结构件使悬浮隧道三维弹性模型的总重力满足条件二；在上述各步骤结束后，进行步骤S6：S6.连接上述各个结构件形成悬浮隧道三维弹性模型，使悬浮隧道三维弹性模型同时满足条件三、条件二和条件一。作为本专利技术的优选方案，在步骤S3结束后，若第一结构件能够同时满足条件三和条件二，则跳过步骤S4和步骤S5；若第一结构件无法同时满足条件三和条件二，则进行步骤S4和/或步骤S5。专利技术人还发现，在水下实验中，对于现有的常见工程材料，难以通过同一材料或结构同时满足条件一、条件二和条件三，因此，本申请中，通过第一结构件解决模型的抗弯刚度相似问题、并视作解决了模型的弹性相似问题；在第一结构件无法同时满足条件二和条件三时，设置第二结构件和/或第三结构件，通过第一结构件与第二结构件和/或第三结构件的共同作用，使悬浮隧道三维弹性模型整体满足条件一、条件二和条件三的要求。通过上述设计方法，模型的几何相似、总重力符合弗洛德准则和抗弯刚度符合弹性相似准则可以通过两到三个不同的构件满足，既能够降低对模型材料的要求，又便于对模型的各种相似性进行分别调节，从而有助于降低设计难度。上述设计方法中的“第一结构件无法同时满足条件二和条件三”是指：第一结构件只能满足条件一、无法满足条件二和条件三；或第一结构件只能满足条件一和条件二；或第一结构件只能满足条件一和条件三。在设计过程中，避免第二结构件和第三结构件对悬浮隧道整体的刚度产生明显的影响。具体的，可以选择刚度远小于第一结构件的材料制作第二结构件和第三结构件，或将第二结构件和/或第三结构件设置成多块拼接但不相连的结构，使得第二结构件和第三结构件的刚度相对于第一结构件的刚度可忽略。作为本专利技术的优选方案，若所述第一结构件既不能满足条件三，也不能满足条件二，则先进行步骤S4，再进行步骤S5。即：先确定第一结构件和第三结构件的形状、材料和尺寸，再根据计算所得的模型总重力，计算得到第二结构件需要提供的重力，从而确定第二结构件的形状、材料和尺寸。作为本申请的一种优选方案，实验所允许的误差范围设定为5％，即模型的任意长度尺寸与原型的对应长度尺寸之间的比值的取值范围为：大于或等于0.95λ，且小于或等于1.05λ；模型总重力与原型总重力的比值的取值范围为：大于或等于0.95λ3，且小于或等于1.05λ3；模型抗弯刚度与原型抗弯刚度的比值的取值范围为：大于或等于0.95λ5，且小于或等于1.05λ5。作为本专利技术的优选方案，在所述步骤S6中：在第一结构件上设置应变测量装置，所述应变测量装置包括多个应变片，所述应变片在所述悬浮隧道三维弹性模型的轴向方向和圆周方向上均匀分布。应变片设置于第一结构件上，能够通过应变片测量第一结构件的变形情况，得到模型在水流或撞击等外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬浮隧道三维弹性模型的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1.确定尺寸缩尺比λ以及所述悬浮隧道三维弹性模型用于模拟的原型的尺寸、重力和抗弯刚度参数；/nS2.根据尺寸缩尺比λ以及所述原型的尺寸、重力和抗弯刚度参数计算所述模型的参数，包括步骤S21、步骤S22和步骤S23：/nS21.确定所述悬浮隧道三维弹性模型的抗弯刚度，使其满足条件一：/n

【技术特征摘要】
1.一种悬浮隧道三维弹性模型的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.确定尺寸缩尺比λ以及所述悬浮隧道三维弹性模型用于模拟的原型的尺寸、重力和抗弯刚度参数；
S2.根据尺寸缩尺比λ以及所述原型的尺寸、重力和抗弯刚度参数计算所述模型的参数，包括步骤S21、步骤S22和步骤S23：
S21.确定所述悬浮隧道三维弹性模型的抗弯刚度，使其满足条件一：



其中，Kp为所述原型的抗弯刚度，Km为所述模型的抗弯刚度；
S22.确定所述悬浮隧道三维弹性模型的重力，使其满足条件二：



其中，Gp为所述原型的重力，Gm为所述模型的重力；
S23.确定所述悬浮隧道三维弹性模型的横截面尺寸，使其满足条件三：



其中，lp为所述原型的线性尺寸，lm为所述模型的线性尺寸；
所述步骤S21、步骤S22和步骤S23的顺序可调换。


2.根据权利要求1所述的悬浮隧道三维弹性模型的设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S3.确定第一结构件的形状、尺寸和材料，使所述第一结构件的抗弯刚度满足所述条件一的要求，且使所述第一结构件的横截面尺寸小于或等于所述条件三所要求横截面的尺寸；
S4.确定第三结构件的形状、尺寸和材料，所述第三结构件设置于所述第一结构件外侧，用于使所述悬浮隧道三维弹性模型的横截面尺寸满足所述条件三；
S5.确定第二结构件的形状、尺寸和材料，所述第二结构件使所述悬浮隧道三维弹性模型的总重力满足所述条件二；
在上述各步骤结束后，进行步骤S6：
S6.连接上述各个结构件形成所述悬浮隧道三维弹性模型，使所述悬浮隧道三维弹性模型同时满足所述条件三、所述条件二和所述条件一。


3.根据权利要求2所述的悬浮隧道三维弹性模型的设计方法，其特征在于，在步骤S3结束后，若所述第一结构件能够同时满足所述条件三和所述条件二，则跳过步骤S4和步骤S5，直接执行步骤S6；若所述第一结构件无法同时满足所述条件三和所述条件二，则进行步骤S4和/或步骤S5。


4.根据权利要求3所述的悬浮隧道三维弹性模型的设计方法，其特征在于，若所述第一结构件既不能满足所述条件三，也不能满足所述条件二，则先进行步骤S4，再进行步骤S5。


5.根据权利要求2所述的悬浮隧道三维弹性模型的设计方法，其特征在于，在步骤S6中：
在第一结构件上设置应变测量装置，所述应变测量装置包括多个应变片，所述应变片沿所述悬浮隧道三维弹性模型的轴向方向和圆周方向上分布。


6.根据权利要求5所述的悬浮隧道三维弹性模型的设计方法，其特征在于，在所述步骤S6结束后，还包括以下步骤：
在所述悬浮隧道三维弹性模型的表面包覆防水层。


7.根据权利要求2-6中任意一项所述的悬浮隧道三维弹性模型的设计方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述第二结构件被构造为若干个配重块。


8.根据权利要求7所述的悬浮隧道三维弹性模型的设计方法，其特征在于，若干个所述配重块沿所述悬浮隧道三维弹性模型的长度方向分布。


9.根据权利要求2-4中任意一项所述的悬浮隧道三维弹性模型的设计方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述第三结构件的抗弯刚度不大于所述第一结构件的抗弯刚度的5％。


10.一种悬浮隧道三维弹性模型，其特征在于，包括：
第一结构件，所述第一结构件用于提供模型的抗弯刚度；
第三结构件，所述第三结构件套设于所述第一结构件上，所述第三结构件用于提供模型的外形。


11.根据权利要求10所述的悬浮隧道三维弹性模型，其特征在于，所述第一结构件被构造为圆柱或圆管结构。


12.根据权利要求11所述的悬浮隧道三维弹性模型，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：林巍，周卓炜，张宁川，顾倩，王冠男，潘文博，
申请(专利权)人：中国交通建设股份有限公司，大连理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11