具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭的制作方法

本實用新型是一種水中懸浮隧道接頭。

背景技術：

水中懸浮隧道，又稱阿基米德橋，其利用浮力支撐隧道體和交通荷載重量，是一種新的穿越水域的交通方式。由于亟待解決的問題尚多，所以目前世界上還未建成一座實用的水中懸浮隧道。但水中懸浮隧道本身所具有的經濟、環保、便捷、抗震的特性，注定其必將擁有十分廣闊的應用前景。

管段接頭是懸浮隧道乃至所有水下結構中十分關鍵的環節。目前國內外的水下隧道接頭設計主要針對沉管隧道、盾構隧道等，并沒有專門設計的懸浮隧道接頭結構。沉管隧道的管段接頭包括中間接頭、岸邊接頭和最終接頭，一般情況下，中間接頭廣泛采用柔性接頭，而岸邊接頭和最終接頭則主要選用剛性接頭。在港珠澳大橋的建設中，設計者更是創新性地提出了半剛性接頭的概念。

然而不同于沉管隧道，水中懸浮隧道通常處于水下十幾米至幾十米的深度，所處的海洋環境更為復雜。管段的不均勻沉降會導致接頭的錯動和張開，影響接頭受力情況。另外，與陸上交通設施相比，水體作用于懸浮隧道管段所產生的靜水壓力和附加的動水壓力，還會引起結構自振頻率與振型的改變并產生附加阻尼。懸浮隧道接頭在長期的應力腐蝕和海水化學腐蝕的雙重作用下，其關鍵部件很容易發生損壞，最終威脅整體的安全性能。

申請號為201410010771.9的專利公開了一種沉管隧道柔性接頭，包括隧道箱體、剛性鋼圈、GINA止水帶、止水帶連接板、Ω型橡膠止水帶、連接螺栓、擋板、鋼拉索、水平剪切鍵和垂直剪切鍵，兩段隧道箱體中間連接一個剛性鋼圈，剛性鋼圈一端與隧道箱體之間設置一個GINA止水帶和橡膠止水帶以及鋼拉索，其中GINA止水帶通過止水帶連接板和連接螺栓固定于剛性鋼圈，型橡膠止水帶則通過連接螺栓兩端都固定；剛性鋼圈另一端與隧道箱體之間設置一個GINA止水帶和兩個型橡膠止水帶，其中GINA止水帶通過止水帶連接。該接頭結構為柔性接頭，應用于沉管隧道，以此專利為代表的現有隧道接頭基本都是應用于沉管隧道，無法適用于水下懸浮隧道，不能滿足水下隧道受力、密封和抗腐蝕要求等。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本實用新型要解決的技術問題是提供一種具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭，該接頭結構具有良好的消能減振特性，能夠滿足復雜海洋環境下水中懸浮隧道接頭所產生的振動和變形。

為了實現上述目的，本實用新型是通過如下的技術方案來實現：一種具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭，包括對接的兩個管段，兩個管段之間具有接頭空間，兩管段之間設有減振結構，所述減振結構包括套于相鄰兩管段外的連接套、將連接套兩端與兩管段連接的徑向預應力拉索、位于兩管段內的同軸設置的軸向預應力拉索和位于兩管段之間將同軸的軸向預應力拉索拉緊的拉緊裝置。

進一步地，其中一個管段的端部開有錐孔，另一個管段的端部由其內外壁之間的區域延伸有錐套，所述錐孔與錐套之間呈契合結構，所述錐套以內構成兩管段端面之間的接頭空間。

進一步地，所述錐孔與錐套之間設有減振墊層，所述減振墊層內部設有減振彈簧。

進一步地，所述減振結構還包括位于兩管段接頭空間內的柔性填充層和位于柔性填充層內圈的耐火板。

進一步地，所述柔性填充層內設有M型鋼桁架結構。

本實用新型的有益效果：

1、本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭，與傳統沉管隧道接頭相比，設置了軸向和徑向預應力拉索，能夠滿足復雜海洋環境下水中懸浮隧道接頭所產生的振動和變形，并且還可以保證GINA橡膠止水帶不會由于錯動而發生滲漏。

2、本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭，采用契合結構使接頭具有一定的定位功能，比傳統結構更便于安裝，同時為徑向預應力拉索提供了安裝平臺，在契合結構中設置減振墊層，不僅可以起到消能減振的目的，通過膠接還能起到一定的防水作用，保護下部的GINA止水帶。

3、本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭，聚氨酯彈性連接套和剪力鍵共同作用承擔接頭處的剪力并限制管段之間的相對位移，避免接頭發生較大變形時內部的軸向預應力拉索無法滿足GINA止水帶的最小壓縮止水要求而導致接頭發生滲漏水。

4、本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭，接頭內部采用鋼筋混凝土鍵并填充有柔性填充物，使接頭呈剛性的同時具備一定的柔性，且結合軸向預應力限位拉索，保證了接頭強度。

附圖說明

圖1為本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭的徑向截面視圖；

圖2為本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭的軸向局部截面視圖；

圖3為本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭中的連接套的立體示意圖；

圖4為圖1中的減振墊層的放大示意圖；

圖5為本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭中的減振墊層的截面立體示意圖；

圖6為本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭中的磁流變彈性支座的結構示意圖；

圖7為本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭中的防水帶的立體示意圖；

圖8為本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭中的接頭內部的密封結構；

圖9為本實用新型的具有抗振性能的水中懸浮隧道接頭中用以連接兩個M型鋼桁架結構的連接板的徑向投影視圖；

圖中：

1-左管段：101-錐套、102-錐套底面、103-錐套頂面；

2-右管段：201-錐孔、202-錐孔底面；

3-減振結構：301-連接套、302-徑向預應力拉索、303-固定端錨環、304-軸向預應力拉索、305-拉緊裝置、306-減振墊層、307-減振彈簧、308-耐火板、309-柔性填充層、310-M型鋼桁架結構、311-剪力鍵、312-連接板、313-凹槽；320-磁流變彈性支座、321-金屬壓板、322-勵磁線圈、323-彈性層、324-滑動層、325-金屬板、326-絕緣保護罩、327-振動傳感器；

4-密封結構：401-端鋼殼、402-GINA止水帶、403-防水帶、404-凸環、405-OMEGA止水帶、406-鋼罩殼。

具體實施方式

如圖1所示，水中懸浮隧道位于水面10以下，隧道下方連接有張力腿11，張力腿11通過錨固結構12錨固在水域底部，隧道內鋪設路面13，以供車輛和行人通過。隧道由若干同軸設置的管段相互對接而成，相鄰兩管段之間的對接部位稱為接頭。

以相鄰的左、右管段1、2的接頭結構為例來對本發明的水中懸浮隧道接頭結構進行闡述。圖2示出了左、右管段1、2接頭部位的軸向局部剖視圖。左、右管段1、2同軸并具有相同的內外徑，左管段1的右端為外表面呈錐面的錐套101，錐套101的內外表面徑向位于左管段1的內外壁之間，右管段2的左端開有與錐套101外壁相適應的錐孔201，錐孔201與右管段2的內壁呈階梯孔，即錐孔201的右端沒有徑向延伸至與右管段2內壁。左、右管段1、2之間通過錐套101與錐孔201之間錐面的契合結構來對接，便于安裝時左、右管段之間的定位。錐套底面102與錐孔底面202之間具有軸向間隙，該軸向間隙與錐套101內表面及左、右管段1、2內壁所在圓周面之間構成左、右管段1、2之間的環形接頭空間。當然左、右管段之間也可以采用位于各自端部的豎直平面來直接對接，由豎直平面上的凹面來形成接頭空間。

一對同軸設置的軸向預應力拉索304于接頭空間內分別向左、向右穿入至左、右管段1、2內，位于左、右管段1、2之間的拉緊裝置305將該對軸向預應力拉索304拉緊，拉緊裝置305與兩側的軸向預應力拉索304采用花籃螺絲的方式連接，軸向預應力拉索304可以為周向均布的多對，每對軸向預應力拉索304均對應一個拉緊裝置305。通過軸向預應力拉索304使接頭結構能夠抵抗水下軸向振動和變形。錐套底面102與錐孔底面202對應接頭空間徑向靠外的部位上分別設有一個端鋼殼401，兩個端鋼殼401之間設有由天然橡膠制成的GINA止水帶402，端鋼殼401和GINA止水帶402均為環狀并徑向位于軸向預應力拉索304以內。左、右管段1、2對接時先將GINA止水帶402安裝在其中一個端鋼殼401上，對接后，兩個端鋼殼401可對GINA止水帶402軸向兩端施加一定的壓力，GINA止水帶402與兩個端鋼殼401之間呈密封壓緊狀態，這樣GINA止水帶402就可以對接頭部位進行防水密封。

軸向預應力拉索304、拉緊裝置305作為減振結構3對接頭進行減振防變形。由端鋼殼401和GINA止水帶402作為密封結構4對接頭進行防水，使得接頭滿足抗振、防水要求。

為了進一步提高隧道接頭的減振抗振能力，減振結構3還包括連接套301和徑向預應力拉索302。圖3為連接套301的立體示意圖，連接套301由聚氨酯等彈性材料澆筑而成，硬度為邵氏60D～75D，為便于安裝連接套301周向分為兩片，兩片之間采用高強螺栓連接，當然也可以根據工況將連接套301設置成一片或者任意多片。連接套301套于左、右管段1、2外并與左、右管段1、2粘接，連接套301的左、右兩端通過徑向預應力拉索302與左、右管段1、2錨接，如圖2的左側所示，連接套301的內壁上預埋有固定端錨環303，徑向預應力拉索302一端與固定端錨環303連接，另一端沿左管段1徑向穿入至左管段1內，徑向預應力拉索302可以沿左管段1周向均勻布置多個，這樣就實現了連接套301與左管段1的錨接，連接套301與右管段2之間采用同樣的方式錨接，徑向預應力拉索302使得水中懸浮隧道接頭能夠抵抗徑向振動和變形。

如圖4和圖5所示，錐套101與錐孔201之間設有減振墊層306，減振墊層306內部均設有若干減振彈簧307。減振墊層306基體材料為高阻尼橡膠，減振彈簧307在減振墊層306內部按矩陣陣列形狀等距離鋪設，減振墊層306表面采用氯化法處理以引入極性官能團并增大墊層表面粗糙度，便于錐套101、錐孔201與減振墊層306之間的膠接。減振墊層306及其內部的減振彈簧307設置在接頭的契合區域，增加了錐套101與錐孔201契合區域的彈性抗振能力。

減振結構3還包括徑向位于錐套101以內、兩端分別與錐套底面102與錐孔底面202的耐火板308和填充于耐火板308與錐套101內表面之間的柔性填充層309。耐火板308徑向為接頭結構的最內圈，將接頭空間封閉起來。柔性填充物309具體可以是聚氨酯彈性體或丁腈橡膠增韌的環氧樹脂，柔性填充層309增加了接頭的柔性。柔性填充層309內設有兩個同軸的M型鋼桁架結構310，兩個M型鋼桁架結構310相對外端分別與左、右管段1、2連接，兩個M型鋼桁架結構310的相對內端通過連接板312及高強螺栓410連接，連接板312及高強螺栓410的徑向視圖見圖9。M型鋼桁架結構310使接頭呈柔性的同時具備一定的剛性，M型鋼桁架結構310結合軸向預應力拉索304，保證了接頭強度。

圖1所示，錐套101的頂面103和錐孔底面202上周向均布有六個剪力鍵311，兩個面上的剪力鍵311相互嵌合，剪力鍵311增強了接頭的抗振性。

錐套101的頂面103和錐孔底面202之間還設有六個與剪力鍵311等圓周分布的磁流變彈性支座320，磁流變彈性支座320與剪力鍵311等角度間隔，如圖6所示，磁流變彈性支座320包括金屬壓板321、勵磁線圈322、彈性層323、滑動層324和金屬板325，其中：金屬壓板321數量為兩個，分別位于頂面103和錐孔底面202上，勵磁線圈322也是兩個，分別位于左、右管段1、2內與相應的金屬壓板321連接并形成回路，金屬壓板321及相應的勵磁線圈322由分別位于左、右管段內的絕緣保護罩326包圍起來；彈性層323和滑動層324由磁流變彈性材料制成，分別連接在兩個金屬壓板321相對的側面上；金屬板325則位于彈性層323和滑動層324之間。端面103和錐孔底面202上對應金屬壓板321的外圍設有若干個振動傳感器327。振動傳感器327測量左、右管段1、2接頭部位的振動情況，然后將振動信號傳遞給外設的控制器，控制器根據振動信號來控制勵磁線圈322的電流從而勵磁線圈322產生不同大小的磁場，磁場通過金屬壓板321傳遞給彈性層323和滑動層324，當彈性層323和滑動層324內的磁場發生變化時，彈性層323和滑動層324剛度也會發生變化，并且分別可以軸向壓縮和徑向位移，金屬板325則對彈性層323和滑動層324的自由變形進行約束，這樣由彈性層323、金屬板322和滑動層324構成的磁流變彈性體就可以對接頭起到良好的隔振減振效果。另外，連接套301為聚氨酯彈性管，在磁場作用下，也可改變自身的剛度，從而改變左、右管段接頭結構的剛度，當環境荷載發生急劇變化時，可通過勵磁線圈激發磁場，有效保護接頭不受損壞。

下面對接頭中的密封結構4作進一步的說明。密封結構4除了包括前述的由端鋼殼401和GINA止水帶402構成的第一道防水結構外，還包括位于連接套301與左、右管段1、2之間的防水帶403，防水帶403軸向位于連接套301內并覆蓋左、右管段1、2的契合區域，防水帶403采用天然橡膠，整周環繞于左右管段接頭處，并通過高強螺栓410與左、右管段的壁部緊固連接，防水帶403上的螺栓孔采用雙組分聚硫密封膠密封，防水帶可以對接頭外圈進行防水，而連接套301可對防水帶403進行一定的保護。

圖7為防水帶403的立體示意圖，如圖所示，防水帶403對應左、右管段契合區域外的兩端分別設有一個沿其圓周方向環繞的截面呈梯形的凸環404，凸環404嵌入連接套301上對應凸環位置的凹槽313(見圖3)內。兩道梯形截面凸環404填充于連接套301的凹槽內可進一步起到防水作用。防水帶403作為第二道防水結構，可以充分保障不會從接頭外圈發生滲水，同時，當外部連接套301由于意外情況發生損壞，從外部直接移除連接套301進行更換時防水帶403能短時間內保障隧道不滲水。

圖8示出了接頭內部密封結構的示意圖，接頭內部除了端鋼殼401和GINA止水帶402外，密封結構4還包括連接兩端鋼殼401徑向相對靠里的內端面的OMEGA止水帶405以及將OMEGA止水帶405罩住的鋼罩殼406，OMEGA止水帶405及鋼罩殼406位于M型鋼桁架結構310以外，OMEGA止水帶405可以對接頭進行第三道防水。

為了以避免海水和海洋微生物腐蝕，可以在端鋼殼401、鋼罩殼406、防水帶403和連接套301的表面涂覆超厚膜環氧防腐涂料，高強螺栓410表面涂覆聚氨酯防腐涂料。

左、右管段1、2接頭的安裝過程如下：在陸地上預制左、右管段1、2，端鋼殼401、減振墊層306預先安裝在左、右管段1、2上，GINA止水帶402也預先安裝在左管段1的端鋼殼上，然后左、右管段1、2相對的端部采用臨時隔離壁封閉并進行水下對接，對接后左、右管段1、2上剪力鍵311嵌合，GINA止水帶402被兩側的端鋼殼401壓緊以形成周向防水，將接頭內中的蓄水排除，并拆除臨時隔離壁，隨后進行OMEGA止水帶405和鋼罩殼406的安裝，并對OMEGA止水帶405進行封閉檢測。隨后在接頭空間內部進行M型鋼桁架結構310布設和軸向預應力拉索304、柔性填充層309以及耐火板308等部件的安裝，最后在左、右管段1、2外部布設防水帶403和連接套301，這樣就完成了接頭部位的安裝。

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點,對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。