悬浮隧道整体结构行为机理试验研究3：实践

周卓炜 ，尹海卿 ，林巍

（1.中交悬浮隧道结构与设计方法研究攻关组，广东 珠海 519000；2.大连理工大学，辽宁 大连 116024；3.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032；4.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

1 概述

作为一种新型水下交通结构形式，悬浮隧道相比桥梁、沉管隧道、盾构隧道等具有不可取代的优势[1-5]，在科学研究领域和工程技术领域受到广泛关注。2018年7月中交港珠澳大桥岛隧总部（简称“岛隧总部”）在荷兰访问期间提出悬浮隧道整体物模试验构想，9月11日完成六隧同池试验方案，并于18日在中山联合体开会讨论。会后结合各方反馈，改为水池中只放1个隧道模型，并于9月22日提出设计方案。该方案在试验筹备过程中由概念转向详细设计。

2018年10月到12月，天津水运工程科学研究院（简称“天科院”）研究团队筹备完成机理试验所需水动力环境，建成“悬浮隧道试验水池”。同期，大连理工大学（简称“大工”）研究团队完成模型研发工作，制作完成第一代悬浮隧道整体模型并运送至天津试验水池。

2019年1月，模型在试验水池中完成安装。岛隧总部、大工团队、天科院团队聚集到试验水池边，在现场按照可重复、可再现原则，对试验物理量的同步测试、试验数据智能化采集、数据存储与数据安全等进行了密集和详尽的讨论。

2019年1月底，模型试验工作首次开启，随即暂停，通过实践发现了一些问题。2月对问题进行分析和讨论。3月将问题逐个解决。4月岛隧总部改变试验策略，将最先进行的试验定义为第一代试验。第一代试验解决的主要问题是怎样做好试验，即研究试验本身。同时力争在第一代试验中获得一些有价值的观察和数据。第二代试验目标定义为悬浮隧道结构行为机理研究，第三代研究工程。岛隧总部要求联合体成员在第一代试验工作进行时，同步研究第二代试验的设计和第三代试验的试验方法。并组建试验团队，由岛隧总部、大工和天科院组成12人团队，入驻天津试验水池。4月底，第一代试验重新开启。5—8月，为研究结构自振周期和衰减特征开展水下锤击试验，为研究试验方法开展波流试验。

以此为背景，本文总结悬浮隧道整体结构行为机理第一代试验研究在实践过程中的发现。以下分别从模型研发、模型初始形态调节、测量系统的建立等方面进行介绍。

2 模型研发

悬浮隧道模型管段由棒芯、填充及配重材料组合而成。棒芯提供管体抗弯刚度，棒芯上安装应变测试点，填充材料保证管体外形尺寸符合要求，配重材料嵌入填充材料中保证模型管体质量符合要求。

2.1 棒芯选择

确定市场上常见的不同材质、不同型号的棒芯作为备选方案，开展棒芯比选试验：选定一种特定横截面尺寸及材料的棒芯，设计合理长度，并进行悬臂梁静力加载挠度测试和动力扰动固有频率测试[6]，两种方法得到的结果可分别计算棒芯弹性模量，因此该测试也被称为静动弹模测试。测试获得的弹性模量用于计算棒芯抗弯刚度，并与设计值对比，如不符合要求则重新选择。悬臂梁挠度和固有频率与抗弯刚度EI的关系如下：

式中：w为棒芯测试段（悬臂）最大挠度；F为悬臂端加载外力；l为悬臂长度；EI为棒芯抗弯刚度；m为测试段每延米质量；f为测试段固有频率。

悬浮隧道管体模型需要设置分段，为保证分段连接处管段力学特性不因分段而改变，研发了等刚度接头装置确保模型管体抗弯特性不变。等刚度接头的构造根据计算进行初步设计，开展对比试验：找2根同等长度的钢棒芯，其中1根中间截断，并用等刚接头连接，将2根钢棒芯开展静动弹模试验（图1）。根据试验测试结果优化接头装置，直至带接头的棒芯和不带接头的棒芯的测量弹模差异在一定误差范围内。

图1 棒芯测试配置Fig.1 Model test configuration

2.2 应变片安装

棒芯的应变采集与分析系统采用动态测量电阻式应变片。应变片若发生浸水将影响其工作性能，故设置双重防水措施：应变片安装位置涂抹玻璃胶，并采用防水胶带包裹密实。应变片布设数量越多，能捕捉到的模型管体运动响应越多。然而，过多的应变片数量将导致供电线及数据线（“导线”）长达千米，这些导线紧贴棒芯布置（图2），最终被填充材料完全包覆。导线质量较大，对管体总质量影响无法忽略，且大量导线会导致信号相互干扰。实践中选用优质导线，预先称重统计重量影响，在配重设计中予以扣除；导线沿管体均匀排布，从管体两端穿出。

图2 应变片导线布置Fig.2 Wire arrangement of strain gauges

2.3 填充材料测试

通过比选多种泡沫塑料，最终选择聚苯乙烯泡沫塑料作为填充材料。随机抽选3块泡沫塑料板经72 h水下淹没检测，去除表面水体后平均增重＜0.2%；随机抽选2块泡沫塑料板进行尺寸测量及质量称重，实测泡沫塑料密度为33.5 kg/m3。泡沫塑料的吸水率及密度均影响悬浮隧道模型总体质量，进而影响配重材料用量。

2.4 配重材料

配重材料选择为与棒芯同等材质的不锈钢。配重材料用量根据模型规定的总质量扣除填充材料、导线及其他所有模型附属构件质量后计算得到。采用细窄配重环间断套在填充材料上进行配重材料安装，配重环在悬浮隧道模型管体轴线上长度尽可能小来降低对管体抗弯刚度的影响。配重环通过切割机加工成标准尺寸，对每块配重环进行称重及尺寸测量，当单块配重环不满足精度要求时，进行手工打磨。

2.5 模型检测

棒芯、泡沫塑料、配重环通过粘接胶拼接成悬浮隧道管体模型（图3）。对模型开展几何尺寸测量、重量测量以及抗弯刚度测量从而检测模型的加工制造精度。

图3 拼接模型Fig.3 Model assembly

几何尺寸测量采用皮尺和卡尺测量管体的纵向长度和横断面直径，确保符合设计要求。重量测量采用两种方式，第一种方式为直接测量模型各分段重量再求和；第二种方式为，将模型置于水中，在浮力作用下模型将上浮，通过模型浮出水面高度以及模型外形尺寸（转换为浮力）反求模型重量。抗弯刚度测量方法为将拼装好的模型管段在悬臂条件下测量挠度以及自振频率，进而反算抗弯刚度，测量值与设计值对比，确保符合设计要求[7]。模型分段制作完成后运往天津试验现场进行最后组装，组装完成后在现场进行最终测试。

2.6 缆索制备

缆索形式采用无伸长绳（受力伸长量极低）串联了弹簧、拉力计、紧绳器。弹簧提供缆索刚度，弹簧刚度根据设计原型缆索的受力变形曲线（图4），通过弹性相似缩尺后计算模型缆索受力变形曲线[8]，并在曲线上近似区可能的受力点的切线线性刚度。不同水深条件下原型缆索长度不同，弹性刚度不同，因而模拟不同水深条件时需要制备不同型号的弹簧。

图4 原型设计钢缆受力变形曲线Fig.4 Prototype designed steel cable stress-deformation curve

2.7 轴力施加装置

在端部台座上固定布置水下油压千斤顶，在棒芯端部焊接钢挡板，油压千斤顶推动钢挡板施加轴向力，由支座提供反力，从而对悬浮隧道模型棒芯提供轴向拉力（图5）。实践中控制千斤顶的油压调节其拉力，通过连续测试建立油压与拉力的对应关系，实现拉力快速而准确的施加。油压千斤顶压力难以保持稳定，尤其在油压过大时，容易出现千斤顶漏油泄压，导致轴力施加不足。解决方案是在油压千斤顶轴力施加后，对棒芯限位，保证轴力在一段时间内不变，并对油压千斤顶增设稳压器，进一步提高其稳定性。

图5 轴力施加装置图示Fig.5 Axial force application device

3 模型初始形态调节

悬浮隧道模型管体两端连接台座，管体置于临时支架上，水池灌水后，模型获得浮力，将支架撤走或者放低，让悬浮隧道模型真正得以悬浮。在无水状态下，根据设计要求调整缆索拉力，使得索力平衡管体净浮力。理论上，只要模型净浮力控制精确，灌水后撤去临时支架，缆索初张力不会发生改变。然而实际操作时，当注水到一定高度且管体与临时支架脱开后，管体总会发生一定程度的下挠或上拱，缆索初张力也对应呈现出整体偏低或偏高的趋势。为此，模型管体完全淹没，撤去临时支座后，需对缆力进行第二次调节，通过缆力来判断模型初始形态是否满足试验预设要求。

管体有8个系缆断面，每个系缆断面上有4根缆索，共计32道缆索。试验模型为超静定结构体系，调节一根缆的缆力将改变断面上其它缆的缆力，调节一个断面的缆力将改变其它断面的缆力。实践中缆力调节方法为：首先，根据已完全起浮的悬浮隧道模型的所有缆力读数估算缆力竖向分力之和，该数值也即缆索实际承受模型净浮力；然后，根据断面锚线竖向力分配原则，将实际净浮力平均分配到每根锚线上；最后，至少2位试验人员下水，从悬浮隧道模型的一头走向另一头，对每个断面依次进行左右对称调节，调节过程中需要注意尽可能避免引起水体扰动，干扰缆力测量。

4 测量系统的建立

悬浮隧道结构行为机理试验使用到的测量仪器众多，环境水动力方面有15个波压仪、8个流速仪、10个流量计，结构响应方面有80个应变片、32个缆力计、8个加速度仪、8台摄像机、5台位移姿态观测仪等，以上数字未包括备用仪器。每种试验测量传感器对应相关测量采集系统，每套测量采集系统包含：测量元件（即测量传感器）、数据采集卡、数据采集电脑。测量数据由测量元件进入数据采集卡，经过数据采集卡处理后各自传入对应的数据采集电脑，再经局域网同步传输至数据存储服务器，经智能化判断系统筛选后存入正式数据库。正式数据库与异地备份服务器相连，保证数据存储安全。

4.1 测量仪器检验

机理试验采用的测量仪器种类多，有直接从厂商购置的产品，也有试验单位自主研发的仪器。为保证测量结果可靠，需要了解仪器的实际应用测量精度，因而对所有仪器制定检测方法，并在必要时将仪器送到专业机构进行第三方检验。测量仪器只有通过检验并证明自身的工作精度满足要求后，再用于试验。试验前，需对测量仪器进行精度校核，确认仪器可正常工作。

4.2 测量系统物理同步及智能化采集

如果各类测量元件不在同一时刻进行数据采集，各类物理量同时、同步性的横向比较将失真，不利于试验数据处理及试验规律的发现。多测量采集系统不同物理量的同步测量需解决：1）数据采集同步开启，保证各系统的起始采集时刻处于同一刻；2）记录时钟一致，保证数据存储时，各系统记录数据时间轴的同轴；3）数据传输同步，所有测量数据同步写入数据库。

硬件上，建立万兆级光纤局域网，配备高性能数据交换机，配备高性能中控服务器，将各类测量系统控制电脑及中控服务器接入到局域网中，通过数据交换机进行交互。

软件上，中控服务器上配置同步测量控制软件，各类测量系统控制电脑上配置各类测量控制软件以及交互接口软件，中控服务器通过局域网同时向各类测量系统控制电脑上的交互接口软件发送控制指令，从而实现各类测量系统的同步开启或停止。

机理试验产生的数据量大，仅靠人工进行判断并控制数据存储的启停，容易造成部分特征数据丢失或者无效数据采集过多，前者会导致试验结果失真，后者可能会造成悬浮隧道试验数据存储库过载，两者均不利于悬浮隧道试验最终成果的提取，甚至可能导致试验失败。因而需要建立智能化采集系统。

智能化判断系统通过监测外部环境条件，如水流流速、流量、波浪等，控制整个数据存储系统的启停，当外部环境条件达到人为设定的阈值时，智能化判断系统做出判断，测量系统开始记录并存储试验数据（图6）。当存储的数据到达量值要求，或外部环境条件变化达到人为设定的另一阈值后，停止数据存储，并停止水动力环境的施加。简言之，开启和停止一次试验过程均是预先设定、再由系统自动执行，最大程度地避免人为因素产生的风险。

图6 智能化采集示意Fig.6 Illustration of collecting intellectual data

测量系统的物理同步与智能化采集是实现试验数据精准控制与试验结果可重复的必备条件。

4.3 数据存储及安全

为保证数据传输安全可靠，建立了数据传输系统。为保证各类测量系统之间独立工作且各自采集的数据不发生冲突和干扰，每类物理量测量系统配备相应的专用测量控制软件及独立电脑；为保证大量数据实时有效传输，建立万兆级光纤数据传输局域网；为保证各数据库运行时不相互干扰，对不同数据库（临时数据库、正式数据库、永久数据库）均配备独立专用高性能服务器；为方便现场试验人员查看试验情况，配备视频输出矩阵，并在试验控制室内布置9块高清显示屏，分类显示不同试验监测数据；配备专用VPN单向数据输出设备，方便试验数据通过互联网向异地进行数据备份并显示试验现场的视频流，通过单向传输模式保证试验现场不易受网络的攻击。

综上，建立数据安全存储系统的目的可总结为：保证试验数据安全可靠、保证试验数据传输高效，降低大量试验数据堆积不及时分析的风险，降低试验数据丢失风险，为实现同步采集系统和智能判断系统提供基础支撑。

5 经验与总结

部分问题的改良方法：

1）锚固系统两次更替。第1次是因为锚线采用了尼龙线，尼龙线自身及其连接件随时间发生不断松弛，且难以收敛，改换钢丝线；第2次更换是由于锚固系统与水池地面连接的强度不足，重新布设抗拔力更高的导轨及滑块。

2）腐蚀问题。模型管体研发时考虑了防腐蚀的措施：棒芯和配重环均采用不锈钢材质。然而锚固系统中的各类构件，如缆索上连接各构件的扣环、弹簧、底部滑轨等均未做防腐蚀处理，试验过程中，各构件迅速腐蚀。改进措施是将缆索上所有构件更换为不锈钢材料，对底部滑轨进行加固和喷漆处理。

3）试验工序。首次水动力试验时，试验人员未遵循设计人员要求的试验工序，且低估了单向波浪对模型管体的不利影响，在大波浪工况下模型管体第1次试验遇见共振，运动幅值极大，导致模型附属构件破损。并且，造波板也局部受损。

4）单点激振试验装置。首次敲击试验，水平向用木桩敲击，竖向用双锤锤击，以期获取结构固有频率和振动衰减特征，水下敲击因人而异，敲击力不易控制。设计人员希望通过定量敲击来剥离隐藏在结构固有频率内的结构刚度信息，试验人员开发了机械敲击装置。结果发现，模型管体受到敲击后的响应表现出的是高阶响应模态，低阶响应模态较难被激发。可能的原因为敲击提供的能量主要为局部能量，模型管段为柔性体。后又提出拉线-快速脱钩装置、循环简谐加载装置等构想，该部分参考本系列文章试验研究4。

5）实践中发现悬浮隧道整体结构行为机理试验本身存在许多值得研究的问题，因而将最早做的试验工作称为第一代模型试验。第二代试验的设计总结了第一代实践的经验和教训与联合体智慧。岛隧总部将第二代机理试验作为正式试验。