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工程仿真的奇迹——港珠澳大桥
2018-10-30浏览198

工程仿真的奇迹——港珠澳大桥

港珠澳大桥是中国的世纪工程因为它要安全运行到下个世纪,乃至下下个世纪。

“港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范”2009年被列入国家科技支撑计划项目,对港珠澳大桥隧道、人工岛、桥梁和建设管理等关键技术问题展开研究。

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      项目共设五个课题,含有十九个子课题,参与单位近三十个,人员近千名。主要针对隧道、人工岛和桥梁跨海集群工程建设关键技术问题,开展外海厚软基大回淤超长沉管隧道设计与施工关键技术、外海厚软基桥隧转换人工岛设计与施工关键技术、海上装配化桥梁建设关键技术、跨海集群工程混凝土结构120年使用寿命保障关键技术和跨境隧-岛-桥集群工程的建设管理、防灾减灾及节能环保关键技术的研究,并通过港珠澳大桥建设予以实践和检验。

       由于时间紧迫,条件严酷,很多自然条件无法获得。工程仿真技术再次在港珠澳大桥五大关键课题中展现出巨大的力量,助力科研和施工人员解决了各类世界级的难题,如期完成这一世纪工程。

六大仿真奇迹:

奇迹一:120年寿命仿真——疲劳分析


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  港珠澳大桥采用正交异型桥面板钢箱梁,这种结构形式轻质高强、施工速度快,但是它的板件构件及受力特性复杂,最大的问题是疲劳。疲劳导致的裂缝成为国内外钢桥行业共同的难题。

  西南交大土木工程学院卜一之、张清华教授参与国家科技支撑计划项目港珠澳大桥跨海集群工程建设关键技术研究与示范。团队把重点聚焦在钢箱梁最容易出现疲劳的几个部位上。团队耗时一年建立了经过实验校核的理论和数值分析模型,最终取得正交异型钢桥面板抗疲劳技术的重大突破。通过艰苦研究,团队攻克了疲劳的难题,助力港珠澳大桥保证120年的使用寿命,并为大桥钢梁架设技术提出了有益建议。

2、流变学及岩土力学仿真——超大复合桩基

  让港珠澳大桥的桥墩稳稳地“扎根”海床,并不是件容易的事。桥墩需穿过十多米深的海水,再穿过二十多米深的淤泥,才能进入承载力较好的土层。

2011年西南交大土木学院马建林教授团队主持了港珠澳大桥主体工程桥梁工程施工图设计大直径钢管复合桩试验专题研究,助力港珠澳大桥稳稳“扎根”海床。现场调研、资料收集、室内外试验、理论计算、数值模拟……团队不断探讨复杂受力条件下钢管复合桩的受力机理与协同工作性能,解答了深海条件下钢管复合深长桩基础的相关计算理论和设计方法等关键技术,为此节约了上亿元的成本。研究成果对于港珠澳大桥大直径钢管复合桩基工程建设具有重要的指导意义。

3、超大几何流体仿真——桥梁抗风特性

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港珠澳大桥全线55公里的大部分由桥梁构成,其中3座大跨度桥梁——青州航道桥、江海直达船航道桥和九洲航道桥,是技术难度最大的控制性工程,其所在海域又风灾较多。

2014年初,西南交大土木学院廖海黎、李明水教授团队承担了港珠澳大桥所有通航孔桥和钢箱梁非通航孔桥的抗风性能研究工作。团队把经验、数值仿真和模型实验有机结合起来。大桥缩比模型在XNJD-3风洞、目前世界最大的边界层风洞里进行了反复试验,并结合多工况流体仿真技术,最终为港珠澳大桥的抗风设计提供了科学依据。  

4、超大几何变形仿真——800万立方米淤泥

之前讲到要修筑625米长的人工岛以连接桥梁和海底隧道,而在修筑人工岛的地方有一层15到20米的淤泥,由于淤泥的物理属性,如果在其基础上做抛石斜坡或常规重力式沉箱的话,抛石或重力沉箱就会因淤泥而打滑,地基不稳。最常规的办法是把淤泥全部清理掉,或者用排水结固的办法使淤泥变干,然后再抛石或用沉箱坐稳。

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(用钢桶围成人工岛)

对此,工程师的解决之道是采用120个重550吨,高55米,直径22.5米的圆形钢桶围成一圈来稳定地基,钢桶会插入粉质粘土、粉质粘土夹砂层中,逐渐会形成稳定的结构,届时只要在钢桶围成的人工岛内填充沙石即可,钢桶会使沙石留在人工岛内,不用在担心抛石和沉箱顺着淤泥滑走,最后形成永久的抛石斜坡堤和临时钢圆筒结构相结合的岛壁结构。

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(岛壁结构示意图)

       成功修筑人工岛的前提是要制造出120个550吨重、55米高的巨型钢桶,但由于钢桶的体积过于庞大,没有任何一个卷板机和模具能够完成这样钢桶的制造工作,不得不采用模块组装的办法,将钢桶分成72个模块,一组一组的拼装。但这种做法也会带来一个问题,由于钢桶的误差要求被限制在3厘米以内,而每一次拼接都会有一定的误差,加上拼接的模块数量达72个,以及钢桶高达55米的巨大体积非常不利于加工和制造,在多次拼接后有可能无法将误差控制在3厘米以内。

       为了精确控制安装和实际变形,工程师建立了大规模的有限元模型进行了规模巨大的工程仿真,创造性的提出内胆法(一个能够控制圆柱形钢桶外型的钢结构支架)控制变形,取得了成功。

5、水动力学仿真——比辽宁号还大的沉管

港珠澳大桥的海底隧道由33节钢筋混凝土结构的沉管对接而成,每个标准沉管长180米、宽38米、高11.4米,排水量大约在8万吨。隧道沉管在岸上预制好之后,用钢封门将两端封闭,沉管浮在海面上,由多艘大马力拖轮拖到约7海里外的施工海域,然后再下沉到海底对接安装。

由于沉管体积庞大且重量很大,加上水文情况、水道宽度的限制,以及沉放时对精度有很高的要求,沉管的浮运和沉放属于施工过程中的一项重要技术。沉管浮运需要考虑拖拽力、水流速度与方向以及潮汐、海水密度和大风的影响。由于水的阻力系数等因素,会造成经验公式计算结果与实际结果有一定差异的情况,一旦拖拽力计算不精确,就有可能导致钢缆断裂,沉管倾覆。另外,潮汐也会引起水位变化,海水密度也会引起浮力变化,水流的大小和方向是决定管节尺寸以及浮运沉放方式的一个重要因素,这些都是要仔细考量的因素。

面对上述挑战,工程师们见招拆招使用仿真和实验结合一一解决。为确定拖拽力,工程师开展的管段拖曳阻力模型试验,同时建立流体仿真模型确定管段及管段组合体的拖航阻力,并以试验数据校准仿真结果,推算推拖拽力和拖船的数量和所需功率。

最终成功完成了巨大沉管的拖曳和放置。

安全性仿真:

隧道的防灾减灾技术极其关键。港珠澳大桥项目科研人员针对隧道结构防火及排烟道沿程阻力建立了高精度的流体/燃烧模型,同步进行了高精度样本试验和。一系列沉管隧道防灾减灾关键技术试验和研究,为大桥顺利运行一百二十年做出了有力的保证。

 

巨型工程是时代的象征。

ANSYS仿真技术使工程更加快速安全,使国家更加强大,使人民生活的更好。

 

 

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