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工程仿真的奇跡——港珠澳大橋
港珠澳大橋是中國的世紀(jì)工程因?yàn)樗踩\(yùn)行到下個(gè)世紀(jì)，乃至下下個(gè)世紀(jì)。
“港珠澳大橋跨海集群工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”2009年被列入國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，對港珠澳大橋隧道、人工島、橋梁和建設(shè)管理等關(guān)鍵技術(shù)問題展開研究。
項(xiàng)目共設(shè)五個(gè)課題，含有十九個(gè)子課題，參與單位近三十個(gè)，人員近千名。主要針對隧道、人工島和橋梁跨海集群工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)問題，開展外海厚軟基大回淤超長沉管隧道設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)、外海厚軟基橋隧轉(zhuǎn)換人工島設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)、海上裝配化橋梁建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)、跨海集群工程混凝土結(jié)構(gòu)120年使用壽命保障關(guān)鍵技術(shù)和跨境隧-島-橋集群工程的建設(shè)管理、防災(zāi)減災(zāi)及節(jié)能環(huán)保關(guān)鍵技術(shù)的研究，并通過港珠澳大橋建設(shè)予以實(shí)踐和檢驗(yàn)。
由于時(shí)間緊迫，條件嚴(yán)酷，很多自然條件無法獲得。工程仿真技術(shù)再次在港珠澳大橋五大關(guān)鍵課題中展現(xiàn)出巨大的力量，助力科研和施工人員解決了各類世界級的難題，如期完成這一世紀(jì)工程。
六大仿真奇跡：
奇跡一：120年壽命仿真——疲勞分析
港珠澳大橋采用正交異型橋面板鋼箱梁，這種結(jié)構(gòu)形式輕質(zhì)高強(qiáng)、施工速度快，但是它的板件構(gòu)件及受力特性復(fù)雜，最大的問題是疲勞。疲勞導(dǎo)致的裂縫成為國內(nèi)外鋼橋行業(yè)共同的難題。
西南交大土木工程學(xué)院卜一之、張清華教授參與國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目港珠澳大橋跨海集群工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范。團(tuán)隊(duì)把重點(diǎn)聚焦在鋼箱梁最容易出現(xiàn)疲勞的幾個(gè)部位上。團(tuán)隊(duì)耗時(shí)一年建立了經(jīng)過實(shí)驗(yàn)校核的理論和數(shù)值分析模型，最終取得正交異型鋼橋面板抗疲勞技術(shù)的重大突破。通過艱苦研究，團(tuán)隊(duì)攻克了疲勞的難題，助力港珠澳大橋保證120年的使用壽命，并為大橋鋼梁架設(shè)技術(shù)提出了有益建議。
2、流變學(xué)及巖土力學(xué)仿真——超大復(fù)合樁基
讓港珠澳大橋的橋墩穩(wěn)穩(wěn)地“扎根”海床，并不是件容易的事。橋墩需穿過十多米深的海水，再穿過二十多米深的淤泥，才能進(jìn)入承載力較好的土層。
2011年西南交大土木學(xué)院馬建林教授團(tuán)隊(duì)主持了港珠澳大橋主體工程橋梁工程施工圖設(shè)計(jì)大直徑鋼管復(fù)合樁試驗(yàn)專題研究，助力港珠澳大橋穩(wěn)穩(wěn)“扎根”海床?，F(xiàn)場調(diào)研、資料收集、室內(nèi)外試驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬……團(tuán)隊(duì)不斷探討復(fù)雜受力條件下鋼管復(fù)合樁的受力機(jī)理與協(xié)同工作性能，解答了深海條件下鋼管復(fù)合深長樁基礎(chǔ)的相關(guān)計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法等關(guān)鍵技術(shù)，為此節(jié)約了上億元的成本。研究成果對于港珠澳大橋大直徑鋼管復(fù)合樁基工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。
3、超大幾何流體仿真——橋梁抗風(fēng)特性
港珠澳大橋全線55公里的大部分由橋梁構(gòu)成，其中3座大跨度橋梁——青州航道橋、江海直達(dá)船航道橋和九洲航道橋，是技術(shù)難度最大的控制性工程，其所在海域又風(fēng)災(zāi)較多。
2014年初，西南交大土木學(xué)院廖海黎、李明水教授團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了港珠澳大橋所有通航孔橋和鋼箱梁非通航孔橋的抗風(fēng)性能研究工作。團(tuán)隊(duì)把經(jīng)驗(yàn)、數(shù)值仿真和模型實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來。大橋縮比模型在XNJD-3風(fēng)洞、目前世界最大的邊界層風(fēng)洞里進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，并結(jié)合多工況流體仿真技術(shù)，最終為港珠澳大橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。
4、超大幾何變形仿真——800萬立方米淤泥
之前講到要修筑625米長的人工島以連接橋梁和海底隧道，而在修筑人工島的地方有一層15到20米的淤泥，由于淤泥的物理屬性，如果在其基礎(chǔ)上做拋石斜坡或常規(guī)重力式沉箱的話，拋石或重力沉箱就會因淤泥而打滑，地基不穩(wěn)。最常規(guī)的辦法是把淤泥全部清理掉，或者用排水結(jié)固的辦法使淤泥變干，然后再拋石或用沉箱坐穩(wěn)。
（用鋼桶圍成人工島）
對此，工程師的解決之道是采用120個(gè)重550噸，高55米，直徑22.5米的圓形鋼桶圍成一圈來穩(wěn)定地基，鋼桶會插入粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾砂層中，逐漸會形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，屆時(shí)只要在鋼桶圍成的人工島內(nèi)填充沙石即可，鋼桶會使沙石留在人工島內(nèi)，不用在擔(dān)心拋石和沉箱順著淤泥滑走，最后形成永久的拋石斜坡堤和臨時(shí)鋼圓筒結(jié)構(gòu)相結(jié)合的島壁結(jié)構(gòu)。
(島壁結(jié)構(gòu)示意圖)
成功修筑人工島的前提是要制造出120個(gè)550噸重、55米高的巨型鋼桶，但由于鋼桶的體積過于龐大，沒有任何一個(gè)卷板機(jī)和模具能夠完成這樣鋼桶的制造工作，不得不采用模塊組裝的辦法，將鋼桶分成72個(gè)模塊，一組一組的拼裝。但這種做法也會帶來一個(gè)問題，由于鋼桶的誤差要求被限制在3厘米以內(nèi)，而每一次拼接都會有一定的誤差，加上拼接的模塊數(shù)量達(dá)72個(gè)，以及鋼桶高達(dá)55米的巨大體積非常不利于加工和制造，在多次拼接后有可能無法將誤差控制在3厘米以內(nèi)。
為了精確控制安裝和實(shí)際變形，工程師建立了大規(guī)模的有限元模型進(jìn)行了規(guī)模巨大的工程仿真，創(chuàng)造性的提出內(nèi)膽法（一個(gè)能夠控制圓柱形鋼桶外型的鋼結(jié)構(gòu)支架）控制變形，取得了成功。
5、水動(dòng)力學(xué)仿真——比遼寧號還大的沉管
港珠澳大橋的海底隧道由33節(jié)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉管對接而成，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)沉管長180米、寬38米、高11.4米，排水量大約在8萬噸。隧道沉管在岸上預(yù)制好之后，用鋼封門將兩端封閉，沉管浮在海面上，由多艘大馬力拖輪拖到約7海里外的施工海域，然后再下沉到海底對接安裝。
由于沉管體積龐大且重量很大，加上水文情況、水道寬度的限制，以及沉放時(shí)對精度有很高的要求，沉管的浮運(yùn)和沉放屬于施工過程中的一項(xiàng)重要技術(shù)。沉管浮運(yùn)需要考慮拖拽力、水流速度與方向以及潮汐、海水密度和大風(fēng)的影響。由于水的阻力系數(shù)等因素，會造成經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定差異的情況，一旦拖拽力計(jì)算不精確，就有可能導(dǎo)致鋼纜斷裂，沉管傾覆。另外，潮汐也會引起水位變化，海水密度也會引起浮力變化，水流的大小和方向是決定管節(jié)尺寸以及浮運(yùn)沉放方式的一個(gè)重要因素，這些都是要仔細(xì)考量的因素。
面對上述挑戰(zhàn)，工程師們見招拆招使用仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合一一解決。為確定拖拽力，工程師開展的管段拖曳阻力模型試驗(yàn)，同時(shí)建立流體仿真模型確定管段及管段組合體的拖航阻力，并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)仿真結(jié)果，推算推拖拽力和拖船的數(shù)量和所需功率。
最終成功完成了巨大沉管的拖曳和放置。
安全性仿真：
隧道的防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)極其關(guān)鍵。港珠澳大橋項(xiàng)目科研人員針對隧道結(jié)構(gòu)防火及排煙道沿程阻力建立了高精度的流體/燃燒模型，同步進(jìn)行了高精度樣本試驗(yàn)和。一系列沉管隧道防災(zāi)減災(zāi)關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)和研究，為大橋順利運(yùn)行一百二十年做出了有力的保證。
巨型工程是時(shí)代的象征。
ANSYS仿真技術(shù)使工程更加快速安全，使國家更加強(qiáng)大，使人民生活的更好。
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