沉管隧道多尺度方法与地震响应分析

针对目前沉管隧道多质点-弹簧抗震简化分析模型的不足，如无法合理模拟沉管接头的细部构造及力学特征，提出了一种同时表征沉管隧道宏观整体响应和细观接头构造的多尺度分析方法，其中宏观多质点-弹簧-梁耦合模型用于描述沉管隧道结构与地层的动力相互作用以及宏观整体地震响应特征，细观精细化模型用于捕捉沉管接头的张合量、剪力键受力等动态演化规律。以广州某沉管隧道为应用实例，建立了相应的地震响应多尺度分析模型，综合考虑地震动输入方向、运营期环境温度变化等工况组合，研究了沉管隧道管节受力、接头变形、剪力键受力等地震响应特性以及关键因素的影响规律。结果表明，地震动输入方向随着与隧道轴向夹角的增加，结构剪力及弯矩明显增大，而轴力及接头变形随之减小，90°输入时峰值轴力的降幅超过了85%，而接头最大张合量仅为0°输入时的17%；环境温度变化对沉管隧道轴向受力及接头变形影响显著，降温导致接头最大张开量增加了约30%，并使隧道出现了接近峰值轴力60%的拉力。     

施工振动下基于黏弹性边界的地下结构动力特性模拟

结合上海市人民广场地铁换乘大厅枢纽工程,建立了基于黏弹性边界的三维有限元分析模型,利用Newmark数值方法对在拆除临时混凝土支撑振动条件下结构的动力特性进行研究,并将数值计算结果与现场监测结果进行比较.结果表明：所建立的基于黏弹性边界的数值模型不仅能够较好地模拟施工振动下结构的动力特性,消除土体与结构交界面的振动波虚假发射;而且可以预测激励荷载下结构发生共振的可能性.     

任意动载作用下长隧道纵向响应解析解

将长隧道简化为作用在Pasternak双参数地基上的无限长均质直梁,基于Euler-Bernoulli梁理论给出动力问题的控制方程,运用积分变换以及卷积定理对该偏微分方程进行求解,推导出长隧道在任意动载作用下竖向位移、竖向速度、竖向加速度、弯矩、剪力等响应的解析表达式.讨论了简谐线荷载、移动线荷载和行波荷载三种典型动力荷载下长隧道响应的退化解析表达,并与已有文献对比,验证了所推导解析解的正确性.以行波荷载为例,通过参数化分析,研究了行波波速、频率以及不同地基反力系数对隧道动力响应的影响规律.研究结论对长隧道抗震设计具有一定的参考价值.     

基于Hoek-Brown准则的非常规态型近场动力学弹塑性模型

岩石介质在不同荷载环境下具有显著的弹塑性变形特征和断裂力学行为。为了同时描述岩石的弹塑性变形连续场以及断裂力学行为的非连续场,提出了一种基于Hoek-Brown强度准则的非常规态型近场动力学（non-ordinary state-based peridynamics, NOSBPD）弹塑性模型。首先,基于非局部变形框架下的材料对应性关系,建立了以Hoek-Brown强度准则为屈服准则的NOSBPD弹塑性本构方程,通过主应力空间的返回映射算法得到给定应变增量对应的应力增量,并给出了相应的增量模型积分算法;其次,提出了基于等效塑性应变的断裂准则,实现了岩石弹塑性断裂全过程力学行为的表征;最后,通过引入非均匀变形状态消除了NOSBPD模拟存在的零能模式问题。基于数值模拟结果与有限元结果以及试验数据进行对比分析,验证了所建立模型的正确性,可为岩石的弹塑性断裂力学行为研究提供有效分析手段。     

广义微极近场动力学模型及三维断裂行为模拟

固体断裂破坏是一类非常复杂的现象,一直以来都是工程学科的经典难题。针对准脆性材料的三维断裂问题,提出一种广义微极近场动力学（GMPD）模型。首先,采用Timoshenko梁模拟物质点间的相互作用并建立了相应的控制方程,充分考虑三维条件下键的轴向变形、切向变形和相对转角;其次,引入分别对应键拉伸、剪切和转动刚度的键参数,保证复杂加载条件下近场动力学和传统连续介质力学的能量一致性;同时提出基于能量的新型断裂准则,推导出键轴向变形、切向变形以及相对转角的临界值,可以实现准脆性材料的破坏过程模拟;最后基于所提出的GMPD模型,对轴向压缩条件下准脆性材料的三维断裂过程进行模拟,通过将分析结果与试验结果进行对比,有效验证了本模型的正确性和精度,可以准确描述复杂加载条件下翼型裂纹、反翼型裂纹和次生裂纹等不同类型裂纹的萌生和扩展过程。     

饱和多孔介质渗流的强-弱不连续统一非局部模型

非均匀饱和多孔介质流体传输模拟关键在于需要考虑由孔隙、裂隙以及不同渗透性介质组成的强–弱不连续面,但这与经典连续介质力学局部流体模型所定义的偏微分方程是不相容的,从而导致饱和多孔介质渗流模拟的困难。基于统一变分近场动力学的基本思想,提出了一种向量态函数用于描述饱和多孔介质流体的非局部传输作用,并在此基础上建立饱和多孔介质流体输运的非局部空间积分–时间微分型控制方程。该非局部流体输运模型统一描述了流体在强–弱不连续面的力学行为,避免了传统局部力学模型在不连续界面处的导数无定义性,且从理论上证明,当非局部流体模型中的非局部作用半径趋于零时,非局部模型可退化为局部模型。为了消除非局部模型内在的零能模式问题,基于罚函数方法提出一种全隐式的数值求解格式以保证数值计算的精确性。最后通过算例分析,模拟了三维非均匀不连续多孔介质中流体的传输过程,揭示流体穿越物质界面、孔隙和裂隙的力学行为。为研究饱和多孔介质中流体在不连续界面传输的力学行为提供了一种分析模型。     

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.     

提运架复合工况下长节段大吨位地下管廊结构安全监测与分析

为了掌握雄安新区城市综合管廊运输与架设过程中的廊体受力情况,明确多工况荷载对地基沉降和管节拼缝连接的影响,采用应力和变形监测设备对提运架复合工况下的管廊结构受力性能和沉降变形进行了现场监测和安全分析,通过将应变计安装在关键管节的顶板和侧墙位置,并对管廊架设过程中的典型管节布置静力水准仪和测缝计,获得了不同工况下综合管廊的受力和变形数据。结果显示：1)综合管廊侧墙受压,顶板受拉,但应力值均未超过混凝土强度标准值;2)综合管廊的沉降变形呈波动变化规律,但波动范围较小,最大沉降监测值仅为2.8mm,管廊结构的沉降变形总体可控;3)综合管廊的管节拼缝宽度变形仅为0.05mm左右,关键管节的接头拼缝连接良好。研究结果表明雄安新区综合管廊的结构受力性能良好,地基沉降和管节拼接不受复合工况动态荷载作用的影响。     

高温下钢筋混凝土梁-柱节点的力学性能演化机制

为研究钢筋混凝土框架梁?柱节点的火灾行为及其相互约束作用随温度的变化规律,开展了荷载?高温耦合作用下的钢筋混凝土框架梁升降温全过程的结构试验。在试验的基础上采用VULCAN程序进行了恒定荷载作用下框架梁单独受高温、梁?柱同时受高温,梁?柱节点弯矩?转角关系的火灾响应数值分析。结果表明,钢筋混凝土框架梁?柱节点的转动约束强度随温度的升高而降低,梁?柱节点转角峰值相较于弯矩峰值具有滞后效应。