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大型盾构隧道地震动力响应数值模拟方法及应用

王新  
【摘要】:经济的发展离不开交通,随着中国经济的快速发展,隧道等地下结构的大量建设已成为解决我国交通问题的一个重要手段,确保其抗震安全性具有重要的社会和经济意义。目前,地下结构抗震研究已成为我国乃至国际上的重要课题,关于隧道等地下结构地震动力响应已有不少数值模拟研究,如何更真实地反映地震激励下大型盾构隧道的动力响应以及提高数值模拟的准确性和计算效率越来越受到重视。 本文提出了大型盾构隧道地震动力响应数值模拟方法,创建了上海市长江隧道及周围土体全尺寸三维有限元模型,结合曙光5000A高性能计算平台,再现了大型隧道结构在不同地震激励工况下的复杂动力响应,对隧道结构的抗震性能进行了综合分析,为隧道结构的抗震设计提供了参考依据,本文主要研究内容包括: 研究了大型盾构隧道地震动力响应数值模拟基本方法及理论。考虑到整体有限元模型单元数量庞大,因此在计算过程中采用了不需要迭代求解的显式积分算法。与节点位移变形协调一致的方法相比,建立动态接触模型能更好的反映接触表面的接触及相对滑动。对于大规模复杂工程问题的求解,采用并行计算技术已成为必然。通过采用区域分解算法可降低大型工程问题规模,实现并行计算。 研究了上海长江隧道及周围土体数值建模方法。为了减小因结构简化而导致的误差,创建了长江隧道全尺寸三维有限元模型。考虑到各土层不同动力特性对仿真结果的影响,土体模型依据了相关资料完成分层。建模过程中需确保隧道与土体的有效配合,之间的接触通过建立三维动态接触模型来实现。整体有限元模型单元数目庞大,故采用并行计算方法完成数值模拟,同时研究了并行计算对计算效率的提高作用。 研究了初始工况下隧道结构的响应。采用了分步加载方式,较好的模拟了隧道开挖过程,得到了重力作用下的初始地应力,最后将初始地应力与通过编程求得的隧道外壁静水压力导入初始有限元模型。通过数值模拟,研究了在初始工况下,各控制断面(包括普通断面和联络通道)变形及应力,分析了可导致隧道破坏的不利位置和不利断面,并为之后研究考虑重力场影响的地震工况提供了基础。 研究了地震工况下隧道结构的动力响应。通过在整体模型底部加载基岩加速度时程曲线,作为地震输入激励,模拟了长江隧道在横向及纵向激励下的动力响应。并在整体模型四周添加了粘弹性人工边界,减小了有限域边界条件影响,并考虑了阻尼在结构动力分析中的作用。通过数值模拟,研究了在地震激励下各控制断面变形及应力规律,分析了不利位置、不利断面和不利工况,为隧道等地下结构的抗震设计及分析提供了有益的参考。 研究了考虑初始工况下的隧道结构地震动力响应。首次采用了分步加载方法,考虑了地震工况中重力场的影响,以使数值模拟结果更接近隧道实际地震响应情况。基本方法为先导入重力场下土体及隧道初始状态,再对整体仿真模型分步加载重力及地震激励。通过数值模拟,验证了该方法具有更合理的仿真结果,并研究了隧道各控制断面在考虑初始工况的地震激励下变形及应力规律。


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