[發(fā)明專利]一種面向沉管隧道抗震設計的三維精細化建模方法

有效

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• 申請日: 2012-03-05
• 公開（公告）號: CN102561395A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設計）人: 陳之毅;沈昊;袁勇;徐國平;劉洪洲;李貞新;李毅;付佰勇
• 申請（專利權）人: 同濟大學;中交公路規(guī)劃設計院有限公司
• 主分類號: E02D29/073
• 分類號: 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

技術領域

本發(fā)明屬于水下隧道工程領域，涉及可用于沉管隧道抗震設計的建模方法。

背景技術

沉管法是20世紀初發(fā)展起來的一種修建水下隧道的新工法。由于其獨特的優(yōu)勢，近年來沉管法已成為水下隧道建設的首選工法。在沉管隧道的縱向抗震分析中，所建立的三維分析模型是否合適，涉及到計算的效率與結果的可靠性，因此合理的沉管隧道三維模型對抗震分析十分重要。

以往用于沉管隧道抗震分析的模型多采用彈簧-質量模型，個別工程采用了全三維精細化模型。沉管隧道接頭部位由于剛度小于管節(jié)，往往是隧道的薄弱部位，其受力、變形情況是工程中重點關注的部分，尤其是Gina止水帶與剪切鍵等構造措施在地震作用下的性能直接影響隧道的安全性。Gina止水帶是超彈性材料，為保證其水密性需滿足最小壓縮量的要求。地震作用下，隨著接頭的變形，壓縮量有可能減小，導致止水失效。剪切鍵是接頭部位的主要抗震構造，其受力與變形直接關系到隧道的抗震能力。以往用于沉管隧道抗震分析的模型多采用彈簧-質量模型，個別工程采用了全三維精細化模型。彈簧-質量模型雖然計算量小，但對接頭的模擬較粗糙，抗拉壓、抗彎、抗剪簡單的各用一個彈簧模擬，無法計算Gina止水帶的真實壓縮量與張開量，也無法分析剪切鍵的受力情況。該模型無法考慮施工中水力壓接產生的管體滑移，以及由此產生的接頭初始壓縮量，這將導致后續(xù)抗震分析中無法精確計算接頭的張開量等重要控制條件，同時該模型也無法計算地震作用下隧道與土體可能產生的滑動。因此，彈簧-質量模型不適用于接頭部位的精確計算。全三維精細化模型雖然可以精確計算分析隧道接頭部位的受力、變形與張開，但計算成本太高，不適于世紀工程中的計算分析。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有彈簧-質量模型無法模擬沉管隧道水力壓接的不足、現(xiàn)有彈簧-質量模型無法精確計算接頭部位受力與張開量的不足、現(xiàn)有彈簧-質量模型無法模擬剪切鍵與Gina止水帶的不足以及全三維精細化模型計算成本過高的弊端，本發(fā)明的目的在于提供一種沉管隧道三維簡化建模方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案包括以下步驟：

步驟1，對沉管隧道進行結構分析，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；

步驟3，定義該沉管隧道模型所需單元，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單元、用于模擬剪切鍵的彈簧單元等；

步驟4，設定管節(jié)材料的彈性模量、泊松比，確定橫斷面尺寸，設置土彈簧、粘壺、剪切鍵、Gina止水帶的參數(shù)；

步驟5，定義模擬接頭部位的節(jié)點與該管節(jié)端點之間的約束關系；

步驟6，將上述各部件組裝為沉管隧道模型，并用于計算分析。

進一步，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。

步驟2中節(jié)點包括三部分：管節(jié)軸線上的節(jié)點、用于模擬土體行為的地基彈簧與粘壺的節(jié)點以及管節(jié)端部沿橫斷面周長的節(jié)點，管節(jié)軸線上節(jié)點的數(shù)量與表征管節(jié)的梁單元的幾何尺寸有關。

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單元、用于模擬剪切鍵的彈簧單元。

步驟4中包括：設定管節(jié)材料的彈性模量、泊松比，確定橫斷面尺寸，設置土彈簧、粘壺、剪切鍵、Gina止水帶的參數(shù)。

步驟5中：將沿接頭周長方向的節(jié)點與該管節(jié)端部節(jié)點設置為剛體約束，保持這些節(jié)點不產生相對位移。

更進一步，一種用于沉管隧道抗震設計的建模方法，包括：

步驟1，對擬設計的隧道結構進行結構分析，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。控制節(jié)點包括三部分：管節(jié)軸線上的節(jié)點、用于模擬土體行為的地基彈簧與粘壺的節(jié)點以及管節(jié)端部沿橫斷面周長的節(jié)點。管節(jié)軸線上節(jié)點的數(shù)量與表征管節(jié)的梁單元的幾何尺寸有關；

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)點的基礎上將管節(jié)離散為三維線性梁單元，即以每個管節(jié)軸線上相鄰兩節(jié)點為單元的端點定義三維線性梁單元；