CN112878374A - 悬浮隧道连接构件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了悬浮隧道连接构件，包括对接前后两段管节的连接器首及连接器尾；连接器首尾之间通过三种受力构件进行连接，分别是承受悬浮隧道径向荷载和所产生位移的径向受力构件、承受轴向荷载和位移的轴向受力构件、承受环向荷载和转动的环向受力构件；受力构件通过连接轴和球铰弹簧进行连接，保证其减震缓冲性能的同时也满足连接器首尾的相对自由度。本发明的悬浮隧道连接构件，与传统沉管连接隧道接头相比，设置沿轴向、径向和环向三个方向受力构件，满足六个方向上的自由度，能够适应复杂海洋环境下悬浮隧道所产的振动和变形。

Description

悬浮隧道连接构件
技术领域
本发明涉及一种悬浮隧道连接构件。
背景技术
悬浮隧道又称为阿基米德桥，是一种根据阿基米德原理利用浮力支撑隧道自重荷载和交通荷载的大型跨水域交通构筑物，主要用于解决深水域和宽水域的跨越问题。其优势在于，技术上悬浮隧道不受跨度和水深的限制，可建在长跨度、水位深、岸坡陡峭的位置，并且其单位长度造价不随跨度增加而增加。但悬浮隧道目前在世界上尚未形成***、完备的理论体系，需要突破长跨度悬浮隧道结构承载力特性、恶劣海况下结构支撑***稳定性、管节间连接等重大核心科学难题，以及结构设计标准体系制定、高韧性高强度特殊结构新材料研发、深水复杂条件施工工艺、工法、装备制造、风险评估等一系列工程技术问题。但悬浮隧道本身所具有的优势，注定其必将拥有十分广阔的应用前景。
管节之间的连接是悬浮隧道乃至于所有水下结构中十分关键的环节，目前国内外水下构件连接形式的研究主要集中在沉管隧道、盾构隧道等类似水下结构，针对悬浮隧道管节间连接方式的研究较少。沉管隧道的管节接头包括中间接头、岸边接头和最终接头，一般情况下，中间接头广泛采用柔性接头，而岸边接头和最终接头则主要选用刚性接头。
悬浮隧道与沉管隧道都属于水下结构，但悬浮隧道的工作环境与沉管隧道工作环境有较大区别。悬浮隧道通常处于水下十几米至几十米的深度，伴随着复杂的海洋环境，如波浪、洋流等，在环境荷载的作用下管节之间会产生复杂相对运动，导致管节之间发生错动、张开等情况影响管节受力。同时，由于悬浮隧道整体为细长结构，故其纵向刚度不宜过大，应使用柔性连接结构保证管节间都可以发生在一定允许范围内的变形。沉管隧道连接接头，虽然采用柔性连接但其自由度和变形能力并不能满足悬浮隧道的需求。
大型海上浮式结构物(Very Large Floating Structures，VLFS)是指那些尺度以公里的海洋浮式结构，由于VLFS的尺度巨大，显然不可能整体制作，因此VLFS必然是一个模块化结构，需要通过特殊设计的连接构件将各个模块连接起来。国内外学者也针对VLFS的连接构件展开了研究，由于VLFS所处工作环境也受波浪和洋流的影响，其位移和运动方式与悬浮隧道有相似之处。但由于基本结构形式、尺度及工作环境还是存在一定差异，则其连接构件形式也不能直接满足悬浮隧道的需求。
目前也有关于悬浮隧道连接构件的研究和发明，但其大多都是基于沉管隧道接头形式进行改进，并未针对悬浮隧道具有的特殊运动形式进行发明。故应寻找一种，能适用于悬浮隧道管节间连接的新的方式连接方式，满足其在环境荷载作用下相对运动和受力十分重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有良好的消能减震性能和柔性变形能力的悬浮隧道连接构件，以满足复杂海洋环境下悬浮隧道管节间所产生的振动和相对位移变形。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的悬浮隧道连接构件，包括构件首部和构件尾部。
所述构件首部包括圆筒Ⅰ和N个弧形板Ⅰ，圆筒Ⅰ和弧形板Ⅰ的外径一致，N个弧形板Ⅰ连接到圆筒Ⅰ的一端，N个弧形板Ⅰ沿圆筒Ⅰ的周向等间距布置，N为大于等于2的自然数。
所述构件尾部包括圆筒Ⅱ和N个弧形板Ⅱ，圆筒Ⅱ和弧形板Ⅱ的外径一致，N个弧形板Ⅱ连接到圆筒Ⅱ的一端，N个弧形板Ⅱ沿圆筒Ⅱ的周向等间距布置。
N个所述弧形板Ⅰ分别嵌入N个弧形板Ⅱ之间的空隙内，弧形板Ⅰ与相邻的弧形板Ⅱ之间存在间隙，弧形板Ⅰ与圆筒Ⅱ存在间隙，弧形板Ⅱ与圆筒Ⅰ存在间隙。
每个所述弧形板Ⅰ与相邻的弧形板Ⅱ之间均设置有周向受力弹簧，周向受力弹簧的两端通过球铰分别连接到弧形板Ⅰ和弧形板Ⅱ上。
每个所述弧形板Ⅰ通过径向受力构件与圆筒Ⅱ连接，径向受力构件包括连接轴Ⅰ和若干径向受力弹簧。
所述弧形板Ⅰ的内部设置有供连接轴Ⅰ和径向受力弹簧安装的空腔Ⅰ，空腔Ⅰ面向圆筒Ⅱ的一侧呈敞口状。
所述连接轴Ⅰ的一端固定在圆筒Ⅱ上，另一端伸入空腔Ⅰ。所述连接轴Ⅰ伸入空腔Ⅰ的一端通过球铰与若干径向受力弹簧连接，径向受力弹簧通过球铰连接到空腔Ⅰ的内壁上，径向受力弹簧的长度方向与圆筒Ⅱ的径向一致。
每个所述弧形板Ⅱ通过轴向受力构件与圆筒Ⅰ连接，轴向受力构件包括连接轴Ⅱ和若干轴向受力弹簧。
所述弧形板Ⅱ的内部设置有供连接轴Ⅱ和轴向受力弹簧安装的空腔Ⅱ，空腔Ⅱ面向圆筒Ⅰ的一侧呈敞口状。
所述连接轴Ⅱ的一端固定在圆筒Ⅰ上，另一端伸入空腔Ⅱ。所述连接轴Ⅱ伸入空腔Ⅱ的一端通过球铰与若干轴向受力弹簧连接，轴向受力弹簧通过球铰连接到空腔Ⅱ的内壁上，轴向受力弹簧的长度方向与圆筒Ⅰ的轴向一致。
进一步，所述圆筒Ⅰ面向弧形板Ⅱ的一侧设置有减震橡胶，弧形板Ⅰ面向圆筒Ⅱ的一侧设置有减震橡胶。
所述圆筒Ⅱ面向弧形板Ⅰ的一侧设置有减震橡胶，弧形板Ⅱ面向圆筒Ⅰ的一侧设置有减震橡胶。
进一步，每个所述弧形板Ⅰ的外壁上均连接有径向限位键，径向限位键远离弧形板Ⅰ的一端位于圆筒Ⅱ的***。
当所述圆筒Ⅰ和圆筒Ⅱ同轴时，圆筒Ⅱ与每个径向限位键均存在间隙。
进一步，所述空腔Ⅰ的敞口端呈收口状，连接轴Ⅰ上设置有凸缘，该凸缘靠近径向受力弹簧。当所述连接轴Ⅰ受外力向空腔Ⅰ的敞口端移动时，连接轴Ⅰ的凸缘与空腔Ⅰ敞口端的内壁抵紧进行轴向限位。
所述空腔Ⅱ的敞口端呈收口状，连接轴Ⅱ上设置有凸缘，该凸缘靠近轴向受力弹簧。当所述连接轴Ⅱ受外力向空腔Ⅱ的敞口端移动时，连接轴Ⅱ的凸缘与空腔Ⅱ敞口端的内壁抵紧进行轴向限位。
进一步，所述构件首部和构件尾部的材料均为碳化再生骨料高性能混凝土。
本发明的有益效果在于：
1.本发明在径向、轴向和环向三个方向设置受力构件，能够满足复杂海洋环境下浮隧道管节间所产生的振动和相对位移变形；
2.本发明使用球铰弹簧进行连接，球铰释放了前后管节之间的六个自由度，保证悬浮隧道在环境荷载作用下有足够的变形能力；并且球铰弹簧能使得弹簧一直处于两向受力的状态下，使各个方向上的弹簧可以发生变向可以部分承受其它方向上的荷载作用；
3.本发明采用半柔性半刚性的连接思路，其中三个方向上的受力构件提供柔性连接，而限位键结构的存在为连接构件提供刚性连接，在保证管节之间的相对运动和变形的同时，也能限制管节之间不发生过大的位移。
附图说明
图1为悬浮隧道连接构件与管节间关系示意图；
图2为悬浮隧道连接构件三维图；
图3为悬浮隧道连接构件的截面图；
图4为图3中a处的放大示意图；
图5为图3中A-A剖视图；
图6为图5中b处的放大示意图；
图7为图3中B-B剖视图；
图8为图7中c处的放大示意图。
图中：构件首部1、圆筒Ⅰ101、弧形板Ⅰ102、构件尾部2、圆筒Ⅱ201、弧形板Ⅱ202、周向受力弹簧3、连接轴Ⅰ4、径向受力弹簧5、连接轴Ⅱ6、轴向受力弹簧7、减震橡胶8和径向限位键9。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开了悬浮隧道连接构件，包括构件首部1和构件尾部2。参见图1，构件首部1和构件尾部2分别连接到两个管节上，这两个管节通过构件首部1和构件尾部2进行连接。所述构件首部1和构件尾部2的材料均为碳化再生骨料高性能混凝土。
参见图2，所述构件首部1包括圆筒Ⅰ101和N个弧形板Ⅰ102，圆筒Ⅰ101和弧形板Ⅰ102的外径一致，N个弧形板Ⅰ102连接到圆筒Ⅰ101的一端，N个弧形板Ⅰ102沿圆筒Ⅰ101的周向等间距布置，N为大于等于2的自然数。
参见图2，所述构件尾部2包括圆筒Ⅱ201和N个弧形板Ⅱ202，圆筒Ⅱ201和弧形板Ⅱ202的外径一致，N个弧形板Ⅱ202连接到圆筒Ⅱ201的一端，N个弧形板Ⅱ202沿圆筒Ⅱ201的周向等间距布置。
N个所述弧形板Ⅰ102分别嵌入N个弧形板Ⅱ202之间的空隙内，形成锯齿状咬合，弧形板Ⅰ102与相邻的弧形板Ⅱ202之间存在间隙，弧形板Ⅰ102与圆筒Ⅱ201存在间隙，弧形板Ⅱ202与圆筒Ⅰ101存在间隙，留出可发生相对位移的空间。
所述圆筒Ⅰ101面向弧形板Ⅱ202的一侧设置有减震橡胶8，弧形板Ⅰ102面向圆筒Ⅱ201的一侧设置有减震橡胶8。所述圆筒Ⅱ201面向弧形板Ⅰ102的一侧设置有减震橡胶8，弧形板Ⅱ202面向圆筒Ⅰ101的一侧设置有减震橡胶8。
参见图3，每个所述弧形板Ⅰ102与相邻的弧形板Ⅱ202之间均设置有周向受力弹簧3，参见图4，周向受力弹簧3的两端通过球铰分别连接到弧形板Ⅰ102和弧形板Ⅱ202上，形成柔性连接。
参见图5或6，每个所述弧形板Ⅰ102通过径向受力构件与圆筒Ⅱ201连接，径向受力构件包括连接轴Ⅰ4和若干径向受力弹簧5。
所述弧形板Ⅰ102的内部设置有供连接轴Ⅰ4和径向受力弹簧5安装的空腔Ⅰ，空腔Ⅰ面向圆筒Ⅱ201的一侧呈敞口状，该敞口呈收口状，连接轴Ⅰ4上设置有凸缘，该凸缘靠近径向受力弹簧5。
所述连接轴Ⅰ4的一端固定在圆筒Ⅱ201上，另一端伸入空腔Ⅰ。所述连接轴Ⅰ4伸入空腔Ⅰ的一端通过球铰与若干径向受力弹簧5连接，径向受力弹簧5通过球铰连接到空腔Ⅰ的内壁上，形成柔性连接，径向受力弹簧5的长度方向与圆筒Ⅱ201的径向一致。当所述连接轴Ⅰ4受外力向空腔Ⅰ的敞口端移动时，连接轴Ⅰ4的凸缘与空腔Ⅰ敞口端的内壁抵紧进行轴向限位。
参见图7或8，每个所述弧形板Ⅱ202通过轴向受力构件与圆筒Ⅰ101连接，轴向受力构件包括连接轴Ⅱ6和若干轴向受力弹簧7。
所述弧形板Ⅱ202的内部设置有供连接轴Ⅱ6和轴向受力弹簧7安装的空腔Ⅱ，空腔Ⅱ面向圆筒Ⅰ101的一侧呈敞口状，该敞口端呈收口状，连接轴Ⅱ6上设置有凸缘，该凸缘靠近轴向受力弹簧7。
所述连接轴Ⅱ6的一端固定在圆筒Ⅰ101上，另一端伸入空腔Ⅱ。所述连接轴Ⅱ6伸入空腔Ⅱ的一端通过球铰与若干轴向受力弹簧7连接，轴向受力弹簧7通过球铰连接到空腔Ⅱ的内壁上，形成柔性连接，轴向受力弹簧7的长度方向与圆筒Ⅰ101的轴向一致。当所述连接轴Ⅱ6受外力向空腔Ⅱ的敞口端移动时，连接轴Ⅱ6的凸缘与空腔Ⅱ敞口端的内壁抵紧进行轴向限位。
参见图6，每个所述弧形板Ⅰ102的外壁上均连接有径向限位键9，径向限位键9远离固定板的一端位于圆筒Ⅱ201的***。当所述圆筒Ⅰ101和圆筒Ⅱ201同轴时，圆筒Ⅱ201与每个径向限位键9均存在间隙。
所述径向限位键9均属于连接构件的刚性部分，当结构位移超过限定值后连接件转为变成刚性结构，此时由限位键和受力构件共同承受外荷载。
实施例2：
本实施例公开了悬浮隧道连接构件，包括构件首部1和构件尾部2。参见图1，构件首部1和构件尾部2分别连接到两个管节上，这两个管节通过构件首部1和构件尾部2进行连接。
参见图2，所述构件首部1包括圆筒Ⅰ101和N个弧形板Ⅰ102，圆筒Ⅰ101和弧形板Ⅰ102的外径一致，N个弧形板Ⅰ102连接到圆筒Ⅰ101的一端，N个弧形板Ⅰ102沿圆筒Ⅰ101的周向等间距布置，N为大于等于2的自然数。
参见图2，所述构件尾部2包括圆筒Ⅱ201和N个弧形板Ⅱ202，圆筒Ⅱ201和弧形板Ⅱ202的外径一致，N个弧形板Ⅱ202连接到圆筒Ⅱ201的一端，N个弧形板Ⅱ202沿圆筒Ⅱ201的周向等间距布置。
N个所述弧形板Ⅰ102分别嵌入N个弧形板Ⅱ202之间的空隙内，弧形板Ⅰ102与相邻的弧形板Ⅱ202之间存在间隙，弧形板Ⅰ102与圆筒Ⅱ201存在间隙，弧形板Ⅱ202与圆筒Ⅰ101存在间隙。
参见图3，每个所述弧形板Ⅰ102与相邻的弧形板Ⅱ202之间均设置有周向受力弹簧3，参见图4，周向受力弹簧3的两端通过球铰分别连接到弧形板Ⅰ102和弧形板Ⅱ202上。
参见图5或6，每个所述弧形板Ⅰ102通过径向受力构件与圆筒Ⅱ201连接，径向受力构件包括连接轴Ⅰ4和若干径向受力弹簧5。
所述弧形板Ⅰ102的内部设置有供连接轴Ⅰ4和径向受力弹簧5安装的空腔Ⅰ，空腔Ⅰ面向圆筒Ⅱ201的一侧呈敞口状。
所述连接轴Ⅰ4的一端固定在圆筒Ⅱ201上，另一端伸入空腔Ⅰ。所述连接轴Ⅰ4伸入空腔Ⅰ的一端通过球铰与若干径向受力弹簧5连接，径向受力弹簧5通过球铰连接到空腔Ⅰ的内壁上，径向受力弹簧5的长度方向与圆筒Ⅱ201的径向一致。
参见图7或8，每个所述弧形板Ⅱ202通过轴向受力构件与圆筒Ⅰ101连接，轴向受力构件包括连接轴Ⅱ6和若干轴向受力弹簧7。
所述弧形板Ⅱ202的内部设置有供连接轴Ⅱ6和轴向受力弹簧7安装的空腔Ⅱ，空腔Ⅱ面向圆筒Ⅰ101的一侧呈敞口状。
所述连接轴Ⅱ6的一端固定在圆筒Ⅰ101上，另一端伸入空腔Ⅱ。所述连接轴Ⅱ6伸入空腔Ⅱ的一端通过球铰与若干轴向受力弹簧7连接，轴向受力弹簧7通过球铰连接到空腔Ⅱ的内壁上，轴向受力弹簧7的长度方向与圆筒Ⅰ101的轴向一致。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例2，进一步，所述圆筒Ⅰ101面向弧形板Ⅱ202的一侧设置有减震橡胶8，弧形板Ⅰ102面向圆筒Ⅱ201的一侧设置有减震橡胶8。
所述圆筒Ⅱ201面向弧形板Ⅰ102的一侧设置有减震橡胶8，弧形板Ⅱ202面向圆筒Ⅰ101的一侧设置有减震橡胶8。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例3，进一步，参见图6，每个所述弧形板Ⅰ102的外壁上均连接有径向限位键9，径向限位键9远离固定板的一端位于圆筒Ⅱ201的***。
当所述圆筒Ⅰ101和圆筒Ⅱ201同轴时，圆筒Ⅱ201与每个径向限位键9均存在间隙。
实施例5：
本实施例主要结构同实施例4，进一步，参见图6，所述空腔Ⅰ的敞口端呈收口状，连接轴Ⅰ4上设置有凸缘，该凸缘靠近径向受力弹簧5。当所述连接轴Ⅰ4受外力向空腔Ⅰ的敞口端移动时，连接轴Ⅰ4的凸缘与空腔Ⅰ敞口端的内壁抵紧进行轴向限位。
参见图8，所述空腔Ⅱ的敞口端呈收口状，连接轴Ⅱ6上设置有凸缘，该凸缘靠近轴向受力弹簧7。当所述连接轴Ⅱ6受外力向空腔Ⅱ的敞口端移动时，连接轴Ⅱ6的凸缘与空腔Ⅱ敞口端的内壁抵紧进行轴向限位。
实施例6：
本实施例主要结构同实施例5，进一步，所述构件首部1和构件尾部2的材料均为碳化再生骨料高性能混凝土。

Claims (5)

1.悬浮隧道连接构件，其特征在于：包括所述构件首部(1)和构件尾部(2)；
所述构件首部(1)包括圆筒Ⅰ(101)和N个弧形板Ⅰ(102)，圆筒Ⅰ(101)和弧形板Ⅰ(102)的外径一致，N个弧形板Ⅰ(102)连接到圆筒Ⅰ(101)的一端，N个弧形板Ⅰ(102)沿圆筒Ⅰ(101)的周向等间距布置，N为大于等于2的自然数；
所述构件尾部(2)包括圆筒Ⅱ(201)和N个弧形板Ⅱ(202)，圆筒Ⅱ(201)和弧形板Ⅱ(202)的外径一致，N个弧形板Ⅱ(202)连接到圆筒Ⅱ(201)的一端，N个弧形板Ⅱ(202)沿圆筒Ⅱ(201)的周向等间距布置；
N个所述弧形板Ⅰ(102)分别嵌入N个弧形板Ⅱ(202)之间的空隙内，弧形板Ⅰ(102)与相邻的弧形板Ⅱ(202)之间存在间隙，弧形板Ⅰ(102)与圆筒Ⅱ(201)存在间隙，弧形板Ⅱ(202)与圆筒Ⅰ(101)存在间隙；
每个所述弧形板Ⅰ(102)与相邻的弧形板Ⅱ(202)之间均设置有周向受力弹簧(3)，周向受力弹簧(3)的两端通过球铰分别连接到弧形板Ⅰ(102)和弧形板Ⅱ(202)上；
每个所述弧形板Ⅰ(102)通过径向受力构件与圆筒Ⅱ(201)连接，径向受力构件包括连接轴Ⅰ(4)和若干径向受力弹簧(5)；
所述弧形板Ⅰ(102)的内部设置有供连接轴Ⅰ(4)和径向受力弹簧(5)安装的空腔Ⅰ，空腔Ⅰ面向圆筒Ⅱ(201)的一侧呈敞口状；
所述连接轴Ⅰ(4)的一端固定在圆筒Ⅱ(201)上，另一端伸入空腔Ⅰ；所述连接轴Ⅰ(4)伸入空腔Ⅰ的一端通过球铰与若干径向受力弹簧(5)连接，径向受力弹簧(5)通过球铰连接到空腔Ⅰ的内壁上，径向受力弹簧(5)的长度方向与圆筒Ⅱ(201)的径向一致；
每个所述弧形板Ⅱ(202)通过轴向受力构件与圆筒Ⅰ(101)连接，轴向受力构件包括连接轴Ⅱ(6)和若干轴向受力弹簧(7)；
所述弧形板Ⅱ(202)的内部设置有供连接轴Ⅱ(6)和轴向受力弹簧(7)安装的空腔Ⅱ，空腔Ⅱ面向圆筒Ⅰ(101)的一侧呈敞口状；
所述连接轴Ⅱ(6)的一端固定在圆筒Ⅰ(101)上，另一端伸入空腔Ⅱ；所述连接轴Ⅱ(6)伸入空腔Ⅱ的一端通过球铰与若干轴向受力弹簧(7)连接，轴向受力弹簧(7)通过球铰连接到空腔Ⅱ的内壁上，轴向受力弹簧(7)的长度方向与圆筒Ⅰ(101)的轴向一致。
2.根据权利要求1所述的悬浮隧道连接构件，其特征在于：所述圆筒Ⅰ(101)面向弧形板Ⅱ(202)的一侧设置有减震橡胶(8)，弧形板Ⅰ(102)面向圆筒Ⅱ(201)的一侧设置有减震橡胶(8)；
所述圆筒Ⅱ(201)面向弧形板Ⅰ(102)的一侧设置有减震橡胶(8)，弧形板Ⅱ(202)面向圆筒Ⅰ(101)的一侧设置有减震橡胶(8)。
3.根据权利要求1或2所述的悬浮隧道连接构件，其特征在于：每个所述弧形板Ⅰ(102)的外壁上均连接有径向限位键(9)，径向限位键(9)远离弧形板Ⅰ(102)的一端位于圆筒Ⅱ(201)的***；
当所述圆筒Ⅰ(101)和圆筒Ⅱ(201)同轴时，圆筒Ⅱ(201)与每个径向限位键(9)均存在间隙。
4.根据权利要求2或3所述的悬浮隧道连接构件，其特征在于：所述空腔Ⅰ的敞口端呈收口状，连接轴Ⅰ(4)上设置有凸缘，该凸缘靠近径向受力弹簧(5)；当所述连接轴Ⅰ(4)受外力向空腔Ⅰ的敞口端移动时，连接轴Ⅰ(4)的凸缘与空腔Ⅰ敞口端的内壁抵紧进行轴向限位；
所述空腔Ⅱ的敞口端呈收口状，连接轴Ⅱ(6)上设置有凸缘，该凸缘靠近轴向受力弹簧(7)；当所述连接轴Ⅱ(6)受外力向空腔Ⅱ的敞口端移动时，连接轴Ⅱ(6)的凸缘与空腔Ⅱ敞口端的内壁抵紧进行轴向限位。
5.根据权利要求1所述的悬浮隧道连接构件，其特征在于：所述构件首部(1)和构件尾部(2)的材料均为碳化再生骨料高性能混凝土。
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