【摘要】：海上大型沉管的沉放是施工中最為關(guān)鍵且危險(xiǎn)的環(huán)節(jié),惡劣的海洋環(huán)境可能會(huì)誘發(fā)沉管的劇烈響應(yīng)而導(dǎo)致不可預(yù)知的后果,故海洋動(dòng)力環(huán)境下沉管沉放系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)問題成為此類工程必須解決的核心問題之一。另一方面,沉管沉放系統(tǒng)為多浮體耦合系統(tǒng),多浮體水動(dòng)力耦合響應(yīng)問題在理論上也頗具挑戰(zhàn)性。采用物理模型試驗(yàn)方法,針對(duì)海上沉管沉放等待和沉放實(shí)施兩個(gè)階段具有理論與工程應(yīng)用雙重意義的關(guān)鍵問題開展研究。在沉放等待階段(沉管-沉放駁剛接為單浮體系泊系統(tǒng)),重點(diǎn)研究了波浪作用下系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律和系泊方式選擇問題;在沉放階段(沉管-沉放駁由沉放吊纜柔性連接為多浮體系泊系統(tǒng)),重點(diǎn)研究不同沉放深度、負(fù)浮力和波浪條件下系統(tǒng)的耦合動(dòng)力響應(yīng)的變化規(guī)律;并將物理模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算分析相結(jié)合,對(duì)系統(tǒng)的耦合動(dòng)力響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探討。主要結(jié)果如下:1)沉放等待階段,受波浪平均漂移力影響,系泊浮體的水平平均位移在TTroll時(shí)十分顯著,可導(dǎo)致沉管+沉放駁系統(tǒng)在系泊等待的窗口周期時(shí)的系泊纜繩張力達(dá)到較大周期(T=2Troll)時(shí)的水平。在工程實(shí)際操作中需要特別注意。同時(shí),甲板上浪會(huì)引起沉管-沉放駁系統(tǒng)的垂向平均位移量的增大,T=Troll時(shí)下沉位移量突出,這會(huì)增高管節(jié)撞擊海底等工程風(fēng)險(xiǎn)。2)沉放階段,沉管-沉放駁系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)力響應(yīng)的頻域特征主要取決于系統(tǒng)耦合響應(yīng)模態(tài)和入射波浪譜特征。系統(tǒng)耦合響應(yīng)模態(tài)的固有頻率與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)力響應(yīng)的峰值頻域具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3)各響應(yīng)模態(tài)中,系統(tǒng)耦合橫搖共振的影響(即“橫搖共振效應(yīng)”)最為突出,該效應(yīng)同時(shí)影響了系統(tǒng)的時(shí)、頻域運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)。橫搖共振效應(yīng)在D/Dmax=0.80時(shí)最為顯著:Tp=TRoll時(shí)沉管橫搖和相對(duì)橫搖可達(dá)Tp=1.25TRoll時(shí)的1.8倍,沉管縱搖可達(dá)1.6倍,吊纜張力可達(dá)1.2倍。此外,Tp=TRoll時(shí)沉管邊角下沉量最大,撞擊海底的風(fēng)險(xiǎn)最大。為規(guī)避橫搖共振效應(yīng)的影響,建議沉放作業(yè)時(shí)入射波浪周期小于D/Dmax=0時(shí)的系統(tǒng)耦合橫搖的固有周期(TpTRoll(D/Dmax=0)),本試驗(yàn)系統(tǒng)中即Tp≤7s。4)沉管近底(沉深DD/max≥0.88)時(shí),沉管的縱移、縱搖和回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)分量會(huì)發(fā)生顯著增大現(xiàn)象,即存在“近底效應(yīng)”。D/Dmax=0.88時(shí)沉管回轉(zhuǎn)可達(dá)D/Dmax=0.80時(shí)的5.1倍,沉管縱移可達(dá)3.0倍,沉管縱搖1.7倍。近底效應(yīng)與入射波浪周期有關(guān),建議定位準(zhǔn)備時(shí)作業(yè)波浪周期小于D/Dmax=0.88時(shí)的系統(tǒng)耦合橫搖的固有周期的0.5倍(Tp/TRoll(D/Dmax=0.88)0.5),本試驗(yàn)系統(tǒng)中為Tp≤7s。5)沉放階段,沉管和沉放駁之間的相對(duì)升沉和相對(duì)橫搖變化分別是決定吊纜張力大小和總張力的分配的最直接因素:相對(duì)升沉控制了四根吊纜張力的總張力,而相對(duì)橫搖決定了四根吊纜張力的同步離散度(張力分配)。相對(duì)沉放深度較小(D/Dmax=0.04)時(shí),相對(duì)升沉對(duì)吊纜張力最大值起主要作用,而隨沉放深度增大(D/Dmax=0.40～0.88),相對(duì)橫搖對(duì)吊纜張力最大值的貢獻(xiàn)更為突出。6)沉放初期的注水階段,消除干舷(D=0m,η=0.0%)時(shí),沉管幾近失重狀態(tài),是整個(gè)系統(tǒng)的最不利時(shí)刻。此時(shí),受沉管管節(jié)的甲板上水的影響,系統(tǒng)的相對(duì)升沉和相對(duì)橫搖幅值突出,浮體間相互作用劇烈,極易引起吊纜的頻繁松弛和突增。7)負(fù)浮力有正負(fù)雙面效應(yīng),其正面效應(yīng)在于可抑制系統(tǒng)橫搖共振響應(yīng),特別是減小沉管和沉放駁之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)及水平和垂向平均位移的幅度;負(fù)面效應(yīng)在于增大了吊纜的初始張力水平。負(fù)浮力選擇原則應(yīng)在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)穩(wěn)定性和吊纜絕對(duì)張力水平間取得平衡,試驗(yàn)認(rèn)為獲取該平衡的相對(duì)負(fù)浮力區(qū)間為1.3%～1.5%。8)沉放階段,沉管-沉放駁系統(tǒng)的吊纜和系泊纜繩張力存在最不利沉放深度:中等沉放深度(試驗(yàn)中D/Dmax=0.40)對(duì)吊纜張力而言是最不利沉放深度;最小沉深(試驗(yàn)中D/Dmax=0.04)是沉管上系泊張力最不利沉深;近底沉深(試驗(yàn)中D/Dmax=0.88)是沉放駁上的系泊張力最不利沉深。
【圖文】：

放水深４６ｍ，綜合施工難度創(chuàng)世界之最，建設(shè)完成后將是世界上最長的沉管隧道逡逑沉管隧道的施工可分為五個(gè)階段：管段起浮、出塢與浮運(yùn)、管段沉放與水下對(duì)接、逡逑基礎(chǔ)構(gòu)筑及覆土，流程見圖１．１。其中，沉放階段是沉管隧道施工中最關(guān)鍵的階段。逡逑藤＝叐３逡逑建成邐回填邐沉放逡逑圖ｉ．ｉ沉管隧道的施工流程示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｍｍｅｒｓｅｄ邋ｔｕｎｎｅｌ邋ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ逡逑近百年來，在沉管隧道的建設(shè)進(jìn)程中發(fā)展了多種管段沉放方法，最主要的有起重機(jī)逡逑沉放法、平臺(tái)沉放法、浮筒（箱）沉放法和駁船沉放法等。其中，駁船沉放法具有良好的逡逑水面穩(wěn)定性，并能為沉放作業(yè)的輔助設(shè)備提供更大的布置空間，適合各種復(fù)雜的沉管沉逡逑放條件。已成為大規(guī)模沉管、大水深、惡劣水文環(huán)境條件下沉管隧道施工的首選１１９＿２Ｑ１。逡逑駁船沉放法亦稱方駁抬吊法，主要有四駁抬吊法、雙駁抬吊法及其改進(jìn)法等。它們本質(zhì)逡逑上是相同的，理論上均可視為雙沉放駁＋沉管的３個(gè)浮體組成的沉管沉放系統(tǒng)，參見圖逡逑１．邋２。逡逑－３邋－逡逑

浮式結(jié)構(gòu)物一般采用系泊系統(tǒng)進(jìn)行定位，限制浮體的運(yùn)動(dòng)。常見的海上系泊浮逡逑體結(jié)構(gòu)有各種單點(diǎn)系泊、多點(diǎn)系泊的各種船舶結(jié)構(gòu)和海上平臺(tái)（ＳＥＭＩ，邋ＦＰＳＣＸＴＬＰ和逡逑Ｓｐａｒ）、海上風(fēng)機(jī)和波能轉(zhuǎn)換裝置等，如圖１．３。由于海上組合動(dòng)力環(huán)境（主要是風(fēng)、浪、逡逑流）、系泊結(jié)構(gòu)物與錨泊系統(tǒng)之間存在相互耦合作用，，浮式結(jié)構(gòu)物和系泊纜繩中會(huì)呈現(xiàn)逡逑出復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性。因此，海洋浮式結(jié)構(gòu)物的研究重點(diǎn)可以分為三部分：波浪和逡逑浮體之間的相互作用、錨泊系統(tǒng)的受力分析以及浮體與錨泊系統(tǒng)的耦合。下面依次對(duì)各逡逑部分的研究進(jìn)展加以概述。逡逑重＿逡逑（ａ）邋Ｓｐａｒ平臺(tái)邐（ｂ）張力腿生產(chǎn)平臺(tái)（ＴＬＰ）逡逑（ｃ）邋ＦＰＳＯ邋（多點(diǎn)系泊，ｓｐｒｅａｄ－ｍｏｏｒｅｄ）邐（ｄ）邋ＦＰＳＯ邋（轉(zhuǎn)ｉ合系泊，ｔｕｒｒｅｎｔ－ｍｏｏｒｅｄ）逡逑－５邋－逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P75

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2621444