分析波力诱导水下悬浮隧道的动力响应外文翻译资料

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分析波力诱导水下悬浮隧道的动力响应

作者 IY Paik，KO Chang，JS Kwon，SP Chang

摘要

水下悬浮隧道(SFT)是一种新的穿越水结构的概念。本研究的目的是开发一个动态分析程序SFT和调查SFT受到外部环境的动态响应特性波负载。假定结构与三维梁单元建模流体不可压缩，无粘性和不可旋,可由边界元法分析出应用线性势理论。使用附加质量的水动力系数,获得的辐射阻尼和波激发力量解决二维衍射问题,三维结构在时域中分析了SFT并给出了结果。SFT位置对水动力系数的影响深度以及频率依赖性的影响系数都被考虑到分析程序中。

关键词:附加质量系数和辐射阻尼、脉冲响应函数,水下悬浮隧道,时域分析,波激发的力量

1。介绍

水下悬浮隧道(SFT)是一种新近提出穿越海峡的结构性概念。SFT可以取代传统的大跨度桥梁和底部隧道岩石当水很深且连接距离很长并且不干涉景点时。SFT由活跃的圆柱管和拉伸缆索系统支撑端点并连接到海底。图1是一个三维概念SFT的概述。关于设计SFT分析研究和概念设计项目已在挪威、日本、意大利和一些研究总结如下。

洛肯等人（1990）把SFT设计数值分析与两波流与模型试验结果进行比较。拉森等人（1994）研究了波浪作用下水下浮置管的一些重要设计参数的结构动力响应灵敏度。在这两项研究中，衍射理论被用于周围的流体，并在频域中进行分析，以包括在流体中相互作用系数的频率依赖性。库尼苏等人（1994）研究了考虑隧道振动特性和入射波浪力作用于隧道的最佳系泊系统。SFT假设为刚体同时流体被假定不可压缩的，无粘性，无旋的。研究表明了波高和惯性分量对于系泊系统在隧道的设计力的重要性。莫瑞塔等人（1994）研究了SFT考虑水的可压缩性的地震响应。SFT被假定为刚性体，但流体被假设为有压缩性、粘性和无旋流动。研究表明，水的可压缩性的影响不可忽略在地震作用下的SFT的响应分析。莱姆赛斯等人（1999）提出替代SFT流体结构相互作用模型的方法是Navier Stokes方程。在时域和频率域主要研究波的方向性的影响，曲线隧道的几何刚度，水动力阻尼和附加质量。伏咖兹等人（2000）研究了极端地震激励下SFT的锚杆单元建模。通过使用莫里森方程和土壤结构的相互作用,并插入弹性弹簧，采用“自组织”有限元,在多种支持下,非线性结构响应地震输入,简单地研究了波-结构相互作用。

本研究的目的是构建一个SFT波浪载荷的数值分析方法，探讨SFT的动态响应特性。时域分析的三维弹性梁单元和线性势流理论是假设流体是不可压缩的，非粘性模型应用SFT进行，假设流体是不可压缩的，非粘性和无旋的。边界元法用于流体-结构相互作用的数值分析。因为系数附加质量和辐射阻尼的运动方程是依赖于频率的脉冲响应函数的概念（康明斯，1962；加纳德汉纳 等人.，1992；派克等人，2002）的应用。不规则波浪力满足设计谱JONSWAP由蒙特卡洛模拟的和数值例子产生。

2。隧道及流体配方

2.1。模拟隧道

2.1.1。三元梁单元

该模型是具有恒定的横截面面积沿轴线的三维梁单元。12x12方块和刚度矩阵每个单元节点是有六个自由度。

2.1.2。系绳元

当SFT是流体时，SFT的自重作用和浮力作用向上。这两种力会影响结构的状态。这两股力量之间的差异是教师的要求量导致的，因此相应的水平和竖向刚度可以确定如下。

（1）（2）

其中：，：横向和纵向刚度的系绳

：预紧系绳

2.2。隧道与流体相互作用

2.2.1。流体二维衍射理论

一般来说，线性势理论可以适用于比较大的浮动结构的衍射问题与波振幅问题，因此在水和淹没表面的边界条件可以假定为线性条件。如果在SFT周围的流体是假定的无粘、不可压缩的和无旋的，那么Laplace方程的势函数就可以应用。

（3）（4）

此时：,和分别是入射波、绕射波和辐射波的速度势。

应用边界元法。通过使用来自格林第三身份的边界积分方程可以写成如下。

（5）

此时

其中是场点，是源点。

满足可以插入速度势函数的方程为式驱动方程。（5）应用格林第三身份。它可以写成如下的第i个离散元。

（6）

上述控制方程可简化形式如下。

（7）

其中

（8）

（9）

方程(7)的速度势还必须满足以下四个边界条件：

1. 自由表面边界条件

（10）

1. 底边界条件

（11）

1. 流体 - 结构界面的边界条件

（12）

1. 辐射边界条件

（13）

图2中显示了4个边界的SFT的二维概述。速度势控制方程可以由式 （7）和上述四个边界条件确定。

2.2.2。 质量和辐射阻尼系数

当淹没体由于不平衡力而在流体中振动时，不仅主体的质量加速，而且周围流体也应当被加速。另外，应考虑由于SFT振动引起的周围水的辐射波的能量耗散效应。增加质量和辐射阻尼系数分别用于考虑由SFT的振动引起的周围流体振动和能量耗散。这两个系数可以通过二维衍射理论计算。

在式（7）中辐射波速度势的乘积的实部和虚部和每个元件的方向分量给出的附加质量和辐射阻尼系数如下。

其中，和分别是加质量和辐射阻尼的系数。

2.2.3。波浪力

在海洋结构在海洋环境中操作的情况下，结构行为受到诸如入射波，浮力，热变化，交通负荷，地震和水流的各种外部负荷的影响。 在负载中，入射波被认为是最有影响力的，并且在本研究中被考虑。

来自入射波的波激励力的系数可以根据等式 （16）通过二维衍射理论确定。

其中，是波激励力的系数，和分别是结构和流体界面处的入射和衍射波的速度势。

满足JONSWAP光谱的不规则波通过蒙特卡罗模拟产生并乘以上述波激励力系数。当波浪力由满足线性势理论的规则波确定时，称为频率函数，可以得到不规则波随时间变化的历程。

其中，是波频率，是波相位。 谐波的幅度如下计算。

其中，是JONSWAP频谱，相位被假定为随机值。

波激励力的时间历程可以写成如下。

其中，是由线性势理论计算的单位振幅波的一阶波激励力。这是在时域中随机生成的用于构造SFT的运动方程的外力。

2.4。 SFT的运动方程

使用上面计算的系数和三维梁单元的形状函数，可以形成附加质量和辐射阻尼矩阵。

在上述方程中，和是添加质量和辐射阻尼矩阵的分量，是脉冲响应函数的分量，是频率无关性质量系数的分量，p（t）是隧道断面的脉冲响应函数，是隧道断面的频率无关相加质量系数，和是每个元件的形状函数（除了轴向和扭转DOF之外的所有DOF的k，j），和分别是加质量和辐射阻尼的系数。

SFT和外部波力分别被建模为三维结构和随机入射波（Janardhanan，1992和Cummins，1962）。

其中，

：加速度，速度和位移矢量

：质量矩阵

:频率独立相加质量系数

:SFT的结构阻尼矩阵

:脉冲响应函数矩阵

:SFT的刚度矩阵

:随机波力矢量

因为运动方程中增加的质量和辐射阻尼的系数是频率相关的，所以脉冲响应函数通过快速傅里叶变换从频率辐射阻尼系数计算，如等式 （24）,通过从等式2的二维衍射理论的解中去除频率相关分量来在式（25）中计算频率无关添加质量系数。 并且通过脉冲响应函数和SFT的速度的

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