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。     

沉管隧道纵向抗震设计实例研究

采用有限元进行动力实例分析的方法可以确定整个隧道内力和位移分布,从而可以方便地确定管段接头的内力和相对位移。在横向和竖向地震动输入下,管段接口处的剪力键会承受一定的地震力,但水平抗剪强度足够,接头最大相对水平位移值应在允许范围内。沉管隧道管段间采用柔性连接方式可有效地降低接头内力,提高隧道在地震作用下的安全和稳定性。     

黄浦江过江隧道的动力抗震分析

借鉴日本东京湾的隧道分析方法,提出了适合于本课题的隧道分析的计算模型,即用等效质量-弹簧系统代替地基切片,隧道用能承受剪力、弯矩和轴力的梁代替.数值仿真表明,隧道与风井接头处的轴力、角位移、剪力较大.如果总体设计允许的话,建议各段隧道的长度不宜相差太大,以减小地震波作用下隧道接头的动力相对位移和内力.     

曲率半径对小净距超大断面隧道地震响应的影响

为揭示不同曲率半径对小净距超大断面隧道地震响应特征的影响,以长乐龙门隧道为研究对象,分别建立曲率半径为400、 600、 800、 1 000和∞m的模型.结果表明,在横向和纵向地震的作用下,曲率对小净距超大断面隧道地震响应有较大影响.受曲率半径的影响,隧道左右洞凸侧(右侧)的内力均大于凹侧(左侧),且随着曲率半径的减小,右侧内力与左侧内力的差距增大.此外,曲线隧道拱顶和仰拱处的弯矩、剪力均随着曲率半径的减小而增大,而拱脚处的弯矩、剪力、轴力则均随着曲率半径的减小而减小.位移受曲率半径影响较小,变化幅度不超过1%.因此,隧道抗震设计时应考虑隧道曲率半径的影响.     

考虑接触非线性的盾构隧道纵向分析模型及其应用

盾构隧道环缝接触状态与传递的内力有关,但传统盾构隧道结构分析模型不能考虑轴力、剪力、弯矩共同作用下的环缝接触非线性。提出了一种考虑3种内力共同作用下接触非线性的盾构隧道纵向分析模型,并据此对汕头湾盾构隧道穿越蠕滑断层的力学行为进行分析。研究发现：①当考虑纵向接头同时传递轴力、剪力、弯矩时,其传力作用可等效为考虑轴向和弯曲刚度折减的梁,其折减系数与位移偏心距有关;②汕头湾盾构隧道在蠕滑作用下的力学分析表明,纵向接头接触非线性对结构内力影响较大,忽视非线性的影响可能带来1.4~3.3倍的误差。研究成果可用于蠕滑断层位错等复杂荷载作用下的盾构隧道纵向力学行为分析。     

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度，但竖向加速度值较小；地震作用下剪力键受力最大的是压应力，拉应力相对较小；剪力键拉应力主要集中在剪力键与沉管主体连接的部位，该处易产生拉伸裂缝，水平剪力键的破坏形式主要是拉伸破坏；接头剪力键的布设方向决定了剪力键根部的剪力分布，绝大部分剪力被布设方向和节段位移方向相一致的剪力键所承担.     

大断面深埋高水压盾构隧道实测内力反算与分析

结合南京地铁3号线大直径盾构隧道工程,对隧道管片钢筋应变进行了现场测试,基于既有的管片内力反算方法,考虑混凝土非线性性质及管片接头,提出了适用于深埋高水压盾构隧道的内力改进算法,并对改进算法反算内力与结构设计计算内力进行了对比分析.结果表明:改进算法更能反映管片的实际受力状态,更适用于荷载模式复杂且接头传力机制多变的大断面深埋高水压盾构隧道;采用设计方法计算的深埋高水压盾构隧道管片及接头内力与改进算法反算内力的分布规律基本一致,但在量值上具有一定的差异;采用设计方法计算的管片及接头轴力为改进算法反算轴力的1/2左右,反算的管片弯矩在拱底位置与惯用法计算弯矩接近,在拱腰及拱顶位置与梁-弹簧法更为接近,反算的接头弯矩大于梁-弹簧模型计算接头弯矩.研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考.     

沉管隧道接头三维非线性刚度力学模型

根据沉管隧道接头的构造特征,在接头静力平衡关系的基础上,建立了沉管隧道接头力学模型.该模型可以计算接头的轴向位移、切向位移以及转角,考虑了沉管隧道接头变形协调几何关系、GINA止水带和OMEGA止水带的应力-应变关系,并依据剪力键的相对位移对接头处不同工作模式进行了识别与划分.对不同工作模式下剪力键的受力作用机理进行了分析.利用此计算模型,得到了沉管隧道接头的位移和力的关系曲线,并对沉管隧道接头处不同构件的材料选取给出了建议.     

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.     

基于时程分析法的大跨度海底隧道地震响应研究

以某海底隧道实际工程为背景，采用地下结构地震时程分析方法，基于有限元软件建立了海水-土体-隧道结构相互作用的数值计算模型，开展了复杂地质条件下大跨度海底隧道地震动力响应研究，重点分析了不同加速度峰值地震波作用下海底隧道的位移、变形、加速度和结构内力等响应参数的变化规律。分析结果表明：地震作用下该海底隧道主要发生整体位移，结构变形较小；地震作用对隧道结构侧墙和中隔墙处的弯矩和剪力有明显增大作用，所以在前期设计中时应适当考虑地震动力作用，局部增设抗震措施；随着地震波峰值加速度的增大，海底隧道结构的位移、变形、加速度、内力等动力响应也越大。研究成果可以为大跨度海底隧道工程抗震安全性研究提供参考。