优化系泊缆设计以最小化水下悬浮隧道波浪诱导结构响应的创新研究

本研究针对深水环境下悬浮隧道(SFT)的波浪诱导动力响应问题，通过ABAQUS-AQUA数值模拟和实验验证，系统评估了四种系泊配置的性能。研究发现双倾斜缆系统(Type 4)通过扭矩抵消机制显著抑制了横摇-横荡耦合效应，并提出了包含多准则的优化设计流程。创新性地开发了简化解析方法，最终确定外缆倾角27.7°、间距58m的最优方案，为深海交通基础设施设计提供了重要理论支撑。

　　

随着全球海洋资源开发向深水区推进，传统跨海桥梁和沉管隧道在深水环境下面临巨大技术挑战。悬浮隧道(SFT)作为一种革命性的解决方案，通过水下悬浮和系泊固定方式，能有效规避深水施工难题和风浪影响。然而这种创新结构尚未实际建造，其核心问题在于如何优化系泊系统以控制波浪诱导的动力响应——这直接关系到结构安全性和乘客舒适度。

现有研究主要聚焦于单缆系泊系统，但存在水平位移过大或引发显著横摇等问题。虽然组合系泊类型被证明更具优势，但其运动控制机制缺乏合理解释，且缺乏系统的参数优化方法。韩国首尔国立大学团队在《Marine Policy》发表的这项研究，通过多学科交叉方法填补了这些空白。

研究采用ABAQUS-AQUA进行基于流体力学的有限元模拟，结合1:100比例水槽实验验证。创新性地建立了考虑欧拉-伯努利梁和桁架单元耦合的数学模型，并开发了基于拉普拉斯变换的简化解析方法。样本采用意大利墨西拿海峡百年一遇的波浪条件，通过JONSWAP谱合成不规则波。

研究结果部分，通过"波浪载荷下不同系泊类型的数值模拟对比"发现：单缆类型(Type 1/2)在13.5m波高下产生5.97-10.3m的过大横荡，而双倾斜缆(Type 4)将位移控制在0.0044m以内。关键发现"系泊类型运动控制机制"揭示Type 4通过内外缆扭矩抵消效应，使净扭矩降低98%，这是其性能优越的核心原理。实验验证部分通过2D波浪水槽测试证实Type 4的横摇角仅0.45°，较Type 2降低95%。

在"基于设计准则的系泊优化"部分，研究创新性地整合API RP 2T和DNV规范，建立包含服务性、强度、疲劳和最小张力应力的多目标优化流程。通过开发的解析方法完成数千工况计算，确定外缆27.7°倾角时应力分布最均衡，58m间距由内侧缆疲劳寿命控制。值得注意的是，3.45m/s海流对Type 4动力响应影响可忽略，这拓展了其应用场景。

这项研究首次完整揭示了组合系泊系统的运动控制机理，提出的优化设计流程可节省90%计算时间。成果不仅为未来SFT建设提供关键技术支撑，其开发的简化解析方法更可推广至其他海洋浮式结构设计。特别值得注意的是，研究发现通过优化系泊配置可完全取消隧道端部约束，这将显著降低建造成本并简化施工工艺。研究团队建议在实际工程应用中，应根据具体环境条件重新迭代优化参数，并考虑非均匀波浪等复杂工况的影响。