（第140集）琼州海峡海中弹簧斜拉沉浮式隧道缩尺模型试验报告:资料补正（四）

海中弹簧斜拉沉浮式隧道（50～80m水深）缩尺模型试验报告

一、试验概述

1. 试验目的

为验证50～80m水深条件下，弹簧斜拉沉浮式悬浮隧道动力响应理论计算结果的正确性，开展1:50缩尺物理模型试验。通过多工况测试，不仅验证隧道静水悬浮定位性能、波浪动力避浪效果以及斜拉弹簧管系统海流涡激振动稳定性，同时重点测试隧道壳体在潮流作用下的绕流效应与壳体自身涡激振动特性；并利用实测阻尼参数修正数值模型，保障全尺寸原型隧道动力分析的精度，为该型隧道在50～80m深海环境安全运行提供完整试验支撑。

2. 试验相似条件

本次模型试验严格采用Froude（弗劳德）相似准则，几何比尺取\lambda_L=1:50。

模型隧道壳体、竖向支撑弹簧、斜拉弹簧管均按照刚度相似关系\lambda_K=\lambda_L^3专门定制加工，严格匹配原型结构刚度，保证模型壳体绕流、结构振动满足完全动力相似条件，试验结果可准确外推至50～80m水深原型隧道。

二、试验工况与测试结果

工况1：静水定位试验

试验内容：测定斜拉弹簧与竖向支撑弹簧预紧力和隧道管节吃水深度的对应关系，校验悬浮定位力学模型。

试验结果：模型实测数据与理论计算值相对误差小于3%，证明纯弹簧斜拉支撑体系能够精准控制隧道沉浮深度，可稳定维持隧道在50～80m目标水深悬浮定位，壳体悬浮姿态稳定，无偏倾问题。

工况2：规则波动力响应试验

试验条件：模型波浪周期T=1.0\sim2.5\mathrm{s}，对应原型海浪周期7.0\sim17.7\mathrm{s}，模拟50～80m深水海洋波浪环境。

测试项目：测量隧道管节垂荡方向的响应幅值算子（RAO），同步监测隧道壳体受波浪伴生潮流作用产生的整体绕流压力分布。

试验结果：在50m水深工况下，管节垂荡运动幅值仅为入射波高的0.15倍。随着水深提升至80m，波浪扰动进一步减弱；潮流流经隧道壳体时流线平顺，无明显负压区与分离涡，壳体绕流诱发的附加振动微弱。充分验证了该沉浮式隧道具备优异的深水避浪能力，可大幅削弱海面波浪带来的垂向振动，纯弹簧斜拉管支撑结构抗浪与抗潮流绕流性能表现优异。

工况3：海流作用下壳体与斜拉弹簧管涡激振动（VIV）联合试验

试验条件：均匀海流流场，模拟50～80m水深海域恒定潮流。

测试项目：同步监测两项内容：隧道主体壳体在横向潮流下的脱涡频率与壳体横向涡激振动幅值；斜拉弹簧管的振动频率与横向振幅。

试验结果：

1. 隧道壳体：在设计潮流流速范围内，隧道管节外形有效抑制了周期性漩涡脱落，壳体自身涡激振动幅值始终控制在极低水平，不会产生持续共振；

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2. 斜拉弹簧管：在斜拉弹簧管外部加装螺旋导流罩抑振装置后，弹簧管横向振动振幅降低70%以上。

整体来看，壳体与支撑弹簧管的涡激振动均得到有效控制，证明纯弹簧斜拉支护系统在深海潮流流场中具备良好的整体结构稳定性，可保障隧道长期运行安全。

三、数值模型参数标定

将本次模型试验实测得到的壳体绕流附加阻尼、结构阻尼比\xi反哺至数值仿真模型，修正理论计算中因弹簧内部摩擦、斜拉弹簧管构件连接间隙以及隧道壳体漩涡脱落带来的阻尼参数偏差，弥补纯理论假设与实际流固耦合构造之间的差异，确保后续50～80m水深全尺寸隧道流固耦合动力数值分析结果更加精准可靠。

四、试验结论

1. 本1:50缩尺模型满足Froude动力相似准则，隧道壳体、竖向支撑弹簧、斜拉弹簧管刚度严格按三次方比尺匹配，无锚索结构干扰，壳体绕流与结构振动满足相似要求，试验数据可有效对应50～80m水深原型隧道；

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2. 静水定位试验误差低于3%，通过调控弹簧与斜拉弹簧管预紧力，可精准控制隧道沉浮吃水深度，壳体悬浮姿态平稳，纯弹簧悬浮定位方案可靠、精度满足深海设计要求；

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3. 深水环境下隧道管节垂荡响应被显著抑制，50m水深垂荡幅值仅为波高的0.15倍，水深增加至80m后避浪效果进一步提升；潮流流经隧道壳体无强烈漩涡分离，壳体潮流绕流附加振动很小，整套弹簧斜拉管支撑体系抗波浪扰动与抗流激振动能力强；

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4. 在设计洋流条件下，隧道主体壳体涡激振动微弱，不会发生流激共振；配套螺旋导流罩可使斜拉弹簧管涡激振动振幅下降70%以上，壳体+弹簧斜拉支护整体体系能够有效抵御深海潮流激励，结构运行稳定性完全达标；

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5. 采用包含壳体涡脱效应的实测阻尼参数完成数值模型修正，消除了弹簧构件摩擦、连接间隙以及壳体流固耦合带来的计算误差，为50～80m水深海中纯弹簧斜拉沉浮式隧道的整体动力设计、壳体外形优化与抑振方案设计提供了可靠的试验依据。