沉管隧道地震响应分析的等效质点系模型探讨

条装地下结构如隧道、各种埋设管道等一般可看作弹性地基梁进行静力及动力分析。在地震条件下,结构与土相互作用,但土的振动成为主要因素。为分析土的地震响应需把基土这一三维连续体作简化处理,简化成为等效多质点模型。本文着重探讨这种简化模型的建立方法,推导等效方法,通过几种简化体系的分析比较,论证单质点串体系的合理性,并将其应用到广州黄沙－芳村珠江水下隧道工程的地震响应分析,为抗震设计提供依据。     

土-海底沉管隧道体系三维地震响应分析

以港珠澳大桥工程中大型海底沉管隧道为工程背景,根据工程场地土层地质实际分布情况,建立了沉管隧道上方无回淤土和有回淤土两种计算条件下的土-沉管隧道体系的大型三维精细化有限元计算模型.在计算模型中考虑了沉管接头非线性、土与隧道间的接触非线性和土层介质非线性等特征.采取直接从基岩面输入一致地震和地震行波两种激励方式,运用动力显式算法对土-沉管隧道体系进行地震响应分析.数值结果表明,回淤土体减小了模型的自振频率,增大了隧道的地震响应;不同地震波激励形式和激励方向对隧道接头的相对变形和管节内力响应的影响不容忽视.     

广州洲头咀沉管隧道地震响应研究

采用弹性地基梁理论计算了广州洲头咀沉管隧道的地震响应,在假定管段接头为刚接、铰接和半刚接3种工况下,计算了隧道在纵向和横向振动时的轴力、剪力和弯矩时程.结果表明:1)隧道的各种内力响应时程图形形状与输入地震波基本一致;2)采用刚性接头时的最大轴力、剪力和弯矩较其他两种工况更大;3)半刚性接头对于沉管隧道在地震作用下的轴力、剪力和弯矩力学性能均有一定改善,这与有关文献的研究结果是一致的;4)在采用半刚性连接时隧道的接头内力和转角均较大,在实际工程应用中如采用该种连接方式,建议进行地震作用下的接头内力和接头相对位移验算.     

用多质点—弹簧模型研究沉管隧道土体地震响应

在质点-弹簧体系数学模型的基础上,结合有限元分析,提出了沉管隧道土体地震反应的离散化分析方法,并结合广州洲头咀隧道工程实例,采用人工合成基岩加速度时程,运用时程动力法分析了隧道底部土体表面的地震响应时程,并与剪切波速传播理论的计算结果进行了对比.结果表明,采用质点弹簧体系计算得出的土表峰值位移较大,分析认为是由于弹簧质点体系计算中阻尼比取值小于剪切波速传播理论中阻尼比取值所致,建议在实际使用中采用质点弹簧体系的计算结果,按照剪切波速传播理论的计算结果可作为参考.     

深水超长沉管隧道接头及止水带地震响应研究

依托港珠澳沉管隧道工程,建立了3维实体连续有限元模型,对这条深水超长沉管隧道在地震作用时接头处的内力和位移情况以及止水带的压缩与变形进行了详细的模拟与研究,重点分析了地震作用时沉管隧道接头处的相对位移(包括管节接头和节段接头)、管节接头处GINA止水带的变形,为施工和运营期的安全与维护提供必要的指导和依据.     

沉管隧道温度与干缩应力计算

推导了隧道管段由温差变化引起的应力计算方法,根据施工顺序,分为底板浇筑阶段、侧墙与顶板板筑阶段、连续成整体阶段、浮运与沉放阶段、运营阶段等5个阶段,分别计算混凝土管段内的拉应力。计算结果表明,管段侧墙内存在较大的拉应力,需要采取合理的措施,以防止裂缝的发展。     

考虑接头力学特性的沉管隧道计算方法

基于沉管隧道管节接头的构造特征,建立接头的力学模型,将接头位置管节间的相互作用离散为一系列由剪切弹簧、法向弹簧组成的组合弹簧和体现相互之间空隙的阈值。根据得到的节点弹簧法向位移、切向位移,在计算过程中实时判断接头的工作状态并动态调整弹簧刚度参数,并将接头模型应用到沉管隧道结构计算中。该方法可与沉管隧道管节模型结合,综合考虑沉管隧道在不同自由度方向上的结构性能,计算管节和接头的内力与变形。最后,以港珠澳沉管隧道为研究对象,研究沉管隧道接头在实际荷载作用下的受力与位移情况。     

基于三角模糊理论的沉管隧道结构服役状态评价方法

为进一步提高在役沉管隧道结构服役状态评价的准确性和可靠性,运用三角模糊理论和层次分析法,提出一种新的运营沉管隧道结构服役状态评价方法。根据运营沉管隧道的结构特征、病害主要影响因素,构建沉管隧道结构服役状态评价指标体系,其中准则层包含6个类别,结构裂缝、渗漏水、结构材质劣化、结构应力、结构变形和水环境;指标层包含14个指标,裂缝长度、裂缝宽度、渗漏速率、渗漏面积、混凝土强度、钢筋横截面损失率、钢筋应力、混凝土应力、水平剪力键应力、竖向剪力键应力、不均匀沉降、接头张开、接头错动和侵蚀水pH。建立了运营沉管隧道结构服役状态等级四级划分标准,并给出了相对应的特征描述以及服役状况评价值。推导了沉管隧道结构服役状态评价指标权重及隶属函数计算过程,得到了沉管隧道结构服役状态评价指标体系中各个指标、元素的绝对权重以及服役状态不同等级对应的隶属度。将提出的评价方法应用于工程实例进行计算分析,并与其他方法进行对比分析。结果表明：该实例中沉管隧道结构监测断面的服役状态综合评价计算值为6.870,隶属度计算值为0.935,隧道结构服役状态评价为等级Ⅰ(结构正常或局部轻微损坏),提出的评价方法在沉管隧道服役状态...     

潮汐荷载引起沉管隧道沉降计算方法

根据潮汐荷载的特点和沉管隧道的实际情况 ,建立了双层土地基和单层土地基的隧道沉降计算方程 ,并利用Laplace变换求得了沉降分布和量值计算的解析表达式 .通过对沉管隧道工程实例的计算分析以及与实例的数据比较 ,探讨了所提出的计算方法在沉管隧道设计、施工以及管理维护中的应用可行性     

南京长江沉管隧道竖井地震反应分析

通过对南京长江沉管隧道竖井的分析研究,建立有限元模型,然后运用ＳｕｐｅｒＳａｐ程序计算得到竖井及竖井各板弯矩的最大值以及最大值发生的位置,用于指导结构设计,对南京长江沉管隧道的修建有重要的作用．     

超长沉管隧道抗震设计及其关键性问题分析

在分析国内外沉管隧道抗震性能研究的基础上,以港珠澳大桥沉管隧道为背景,阐述了超长沉管隧道抗震设计与分析中迫切需要解决的4个关键性问题,即沉管隧道土体与结构相互作用的动力计算方法、非一致地震激励下超长沉管隧道地震响应分析方法、沉管隧道减震控制技术以及沉管隧道振动台试验模拟技术,并指出了沉管隧道工程抗震研究的几个方向.     

波浪作用下沉管管段沉放过程运动响应的试验研究

为研究波浪作用下沉管管段沉放过程的运动特性,开展了实验室沉管沉放的试验研究,量测了沉管管段的运动响应及沉放系统的缆绳受力,分析了管段运动位移和缆绳受力随相对波高H/h、相对宽度b/λ和相对沉深d/h的变化规律.结果表明:较小管段沉深情况下,管段的运动表现出强非线性特征;管段的运动响应随b/λ和d/h的增加而很快减小.管段沉深较小时,波高对管段的无量纲运动位移的影响较明显;迎浪侧的缆绳最大张力稍大于背浪侧的缆绳最大张力.较小的管段沉深情形下,两侧的缆绳张力相位差较明显;缆绳张力随b/λ的减小而增大,随H/h的减小和d/h的增大而减小.     

并行数值仿真技术在盾构隧道地震响应分析中的应用

采用全三维非线性建模方法建立了盾构隧道总体有限元模型，模型规模上节点总数超过400万，单元总数超过380万．由于系统的非线性，且地震激励是一种时间历程，盾构隧道地震响应数值模拟的实质是一个超大规模非线性系统的瞬态响应计算问题，使得目前在地震安全性评价领域普遍采用的串行算法、串行软件和普通的计算机无法胜任此工作．本文根据所用超级计算机的体系结构特点，采用改进的区域分解算法，通过对盾构隧道总体模型合理分区来进行地震响应分析．地震波载荷选用调幅后的上海隧道场地人工地震波，应用通用非线性动力分析有限元程序LS-DYNA进行求解，计算结果可为隧道的抗震设计提供有力依据．     

地铁隧道非线性地震响应动力分析

地铁隧道抗震研究是当今地震工程界重要的研究方向。对广州地铁四号线地铁隧道进行了地震响应非线性有限元分析。采用动力有限元数值分析方法,提出估算地铁隧道地震响应永久变形的有限元计算模型。通过动力有限元方法确定地铁隧道的残余变形量,将各个时刻重复通过计算所确定的残余位移累加得到地震作用后地铁隧道的永久变形量。通过分析地铁隧道的永久变形量确定地铁隧道地震响应稳定性,为地铁隧道地震稳定性分析提供了参考依据。     

海底隧道半横向通风方式模型试验与数值仿真

为了研究半横向通风方式隧道内风速、风压的分布特点,针对某海底隧道半横向通风方案,建立1∶9的缩尺物理模型与1∶1的三维数值仿真模型,研究了排风孔开启数量与排风孔开启位置对隧道内风速、风压分布的影响。研究结果表明:相同排风动力下,随着排风孔开启数量的增加,隧道内排风量增加,但增加幅度逐渐减小;开启事故位置下游2个排风孔,并固定距事故位置最近的第1处排风孔的位置,随着2个排风孔之间距离的增大,第1处排风孔的排风量增加,烟流扩散至第2处排风孔的行程增加,隧道排烟效率降低。     

地震作用下沉管隧道节段接头剪力键的力学性能

基于有限元法结合黏弹性人工边界,将地震波输入转化为等效节点力,建立了基于波动理论的三维平面SV波入射方法.半空间算例证明了SV波入射方法及其数值实现的准确性,并在该地震波输入方法的基础上,考虑上覆海水对沉管隧道的静、动水压力,研究了港珠澳大桥沉管隧道节段接头剪力键的力学性能.研究结果表明:水平地震作用下也会产生竖向加速...     

地震作用下沉管地基砂土液化可能性研究

地震时饱和砂土的液化造成了许多建筑物的破坏,规划中的京沪高速铁路南京上元门越江工程穿越Ⅶ度地震区,如果采用隧道方案,由于隧道洞身及洞底主要穿越粉细砂层,在地震作用下极易液化.针对上元门地区的具体情况,分析了地震作用下地基的液化机理,通过理论计算和分析试验数据给出了地震作用下沉管隧道3个典型断面的地基砂土液化深度.指出覆盖层较薄的江中段砂土液化深度将达到隧道底下1.5m处,可能造成隧道地基整体失稳,需进行加固处理,本文结论可为沉管的设计施工提供参考.     

大型空泡水洞试验设施结构有限元分析

大型空泡水洞试验设施是目前中国规模最大的水洞系统,为评估其整体结构强度和抗震设计安全性,对空泡水洞结构进行三维有限元数值分析,考虑正常工作工况和地震载荷作用极限工况下的结构刚强度,基于振型分解反应谱法计算了地震惯性加速度载荷,并对结构地震位移响应进行校核.结果表明:空泡水洞的结构变形在正常工作工况主要表现为水洞内壁的膨胀变形,在极限工况下主要表现为由地震载荷引起的水洞顶部水平位移;空泡水洞高应力区域主要位于结构角隅处的筒壁和加强筋.这对中国自主研发大型空泡水洞具有重要的借鉴意义.     

珠江水下沉管隧道的抗震分析与设计(Ⅰ)──时程响应法

研究沉管隧道在地震条件下整体受力的分析方法．分两步建立计算模型．第一步通过分析场地地基土切片的动力特性．根据等效原则将其化为等效单质点体系,然后在纵向用等效弹簧连接而成为多质点体系的地基土计算模型;第二步将隧道看作弹性地基梁与上述多质点体系通过等效弹簧连结而得到土一隧道体系的计算模型．本文结合广州黄沙一芳村珠江水下隧道工程实例建立了具体的计算模型并对多种不同的约束条件,进行了纵向与横向地震响应时程分析,为该隧道的抗震设计提供依据．