[發(fā)明專利]一種面向沉管隧道抗震設(shè)計(jì)的三維精細(xì)化建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210055548.7
• 申請(qǐng)日: 2012-03-05
• 公開（公告）號(hào): CN102561395A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳之毅;沈昊;袁勇;徐國平;劉洪洲;李貞新;李毅;付佰勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué);中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司
• 主分類號(hào): E02D29/073
• 分類號(hào): E02D29/073
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 吳林松

1.一種用于沉管隧道抗震設(shè)計(jì)的建模方法，其特征在于：包括：

步驟1，對(duì)沉管隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，確定需建模部分；

步驟2，定義該沉管隧道模型軸線上的節(jié)點(diǎn)；

步驟3，定義該沉管隧道模型所需單元；

步驟4，定義材料性質(zhì)、界面屬性；

步驟5，定義模擬接頭部位的節(jié)點(diǎn)與該管節(jié)端點(diǎn)之間的約束關(guān)系；

步驟6，將上述各部件組裝為沉管隧道模型，并用于計(jì)算分析。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于沉管隧道抗震設(shè)計(jì)的建模方法，其特征在于：步驟1中包括：確定其軸線的幾何位置、隧道的埋深，周圍土層的分布，取擬用沉埋管段法施工的隧道部分為建模范圍。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于沉管隧道抗震設(shè)計(jì)的建模方法，其特征在于：步驟2中節(jié)點(diǎn)包括三部分：管節(jié)軸線上的節(jié)點(diǎn)、用于模擬土體行為的地基彈簧與粘壺的節(jié)點(diǎn)以及管節(jié)端部沿橫斷面周長的節(jié)點(diǎn)，管節(jié)軸線上節(jié)點(diǎn)的數(shù)量與表征管節(jié)的梁單元的幾何尺寸有關(guān)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于沉管隧道抗震設(shè)計(jì)的建模方法，其特征在于：步驟3中所述單元包括：用于模擬管節(jié)的梁單元、模擬Gina止水帶的非線性彈簧單元、用于模擬土體的彈簧與粘壺單元、用于模擬隧道與土體接觸的滑動(dòng)單元、用于模擬剪切鍵的彈簧單元。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于沉管隧道抗震設(shè)計(jì)的建模方法，其特征在于：步驟4中包括：設(shè)定管節(jié)材料的彈性模量、泊松比，確定橫斷面尺寸，設(shè)置土彈簧、粘壺、剪切鍵、Gina止水帶的參數(shù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于沉管隧道抗震設(shè)計(jì)的建模方法，其特征在于：步驟5中：將沿接頭周長方向的節(jié)點(diǎn)與該管節(jié)端部節(jié)點(diǎn)設(shè)置為剛體約束，保持這些節(jié)點(diǎn)不產(chǎn)生相對(duì)位移。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于沉管隧道抗震設(shè)計(jì)的建模方法，其特征在于：包括：

步驟1，對(duì)擬設(shè)計(jì)的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，包括：確定其軸線的幾何位置、隧道的埋深，周圍土層的分布，取擬用沉埋管段法施工的隧道部分為建模范圍，該沉管隧道模型包括管節(jié)、地基彈簧、粘壺、滑動(dòng)單元、Gina止水帶、剪切鍵；

步驟2，定義該沉管隧道模型的控制節(jié)點(diǎn)。控制節(jié)點(diǎn)包括三部分：管節(jié)軸線上的節(jié)點(diǎn)、用于模擬土體行為的地基彈簧與粘壺的節(jié)點(diǎn)以及管節(jié)端部沿橫斷面周長的節(jié)點(diǎn)。管節(jié)軸線上節(jié)點(diǎn)的數(shù)量與表征管節(jié)的梁單元的幾何尺寸有關(guān)；

步驟3，定義用于模擬該沉管隧道的單元；

1)管節(jié)的模擬：在步驟2所定義的沉管隧道管節(jié)軸線節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上將管節(jié)離散為三維線性梁單元，即以每個(gè)管節(jié)軸線上相鄰兩節(jié)點(diǎn)為單元的端點(diǎn)定義三維線性梁單元；

2)管節(jié)接頭的模擬：a)Gina止水帶的模擬：用若干非線性彈簧單元模擬Gina止水帶的作用，在步驟2中已設(shè)置各管節(jié)端部沿橫斷面周長的節(jié)點(diǎn)，以接頭兩側(cè)管節(jié)端部沿橫斷面周長的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)為單元端點(diǎn)，將每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間定義為非線性彈簧單元；

b)剪切鍵的模擬：根據(jù)各剪切鍵在接頭的實(shí)際布置位置，找出接頭兩側(cè)管節(jié)端面沿周長的節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，以每對(duì)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)為單元端點(diǎn)定義Cartesian連接單元；若該單元用于模擬水平剪切鍵則在該單元中應(yīng)定義水平方向的剪切鍵剛度；若為豎直剪切鍵則定義相應(yīng)的豎直剪切鍵剛度；若擬設(shè)計(jì)的隧道在接頭橫斷面中部亦有數(shù)值剪切鍵，則同樣采用此方法根據(jù)具體幾何位置設(shè)置剪切鍵的節(jié)點(diǎn)并在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間定義笛卡爾連接單元；

3)土體的模擬：以步驟2中定義的模擬土體行為的單元的節(jié)點(diǎn)為端點(diǎn)，在空間三個(gè)方向分別定義并聯(lián)的彈簧單元與粘壺單元，以此模擬土體的行為；

4)土體-隧道相互作用的模擬：以管節(jié)軸線上節(jié)點(diǎn)及與其位置對(duì)應(yīng)的模擬土體行為的單元之靠近管節(jié)側(cè)的節(jié)點(diǎn)為單元端點(diǎn)定義Cartesian?&?Cardan連接單元，除沿隧道水平縱向的自由度外，其余自由度均設(shè)置為剛性，在水平縱向設(shè)置適當(dāng)?shù)耐馏w-隧道的摩擦系數(shù)，法向力的方向定義為豎直方向，該單元允許管節(jié)在水力壓接及地震作用下產(chǎn)生可能的縱向滑動(dòng)；

步驟4，定義材料性質(zhì)、界面屬性；

1)設(shè)置關(guān)節(jié)材料的彈性模量、泊松比等材料常數(shù)；

2)通過計(jì)算確定管節(jié)橫斷面的面積、對(duì)形心軸的慣性矩、慣性積、扭轉(zhuǎn)常數(shù)以及剪切中心位置等參數(shù)；

3)采用適當(dāng)?shù)睦碚撚?jì)算確定用于模擬土體行為的彈簧-粘壺并聯(lián)單元中彈簧及粘壺各自的系數(shù)；

4)確定Gina材料的力-壓縮量非線性關(guān)系曲線；

步驟5，定義約束關(guān)系：將沿接頭周長方向的節(jié)點(diǎn)(包括各剪切鍵對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn))與該關(guān)節(jié)端部節(jié)點(diǎn)設(shè)置為剛體約束，保持這些節(jié)點(diǎn)無相對(duì)位移；所述沿接頭周長方向的節(jié)點(diǎn)包括各剪切鍵對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)；

步驟6，將上述各部件組裝為沉管隧道模型，并用于計(jì)算分析。