一種面向沉管隧道抗震設計的三維精細化建模方法
2023-09-10 02:57:10
專利名稱：一種面向沉管隧道抗震設計的三維精細化建模方法
技術領域：
本發明屬於水下隧道工程領域，涉及可用於沉管隧道抗震設計的建模方法。
背景技術：
沉管法是20世紀初發展起來的一種修建水下隧道的新工法。由於其獨特的優勢， 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。以往用於沉管隧道抗震分析的模型多採用彈簧-質量模型，個別工程採用了全三維精細化模型。沉管隧道接頭部位由於剛度小於管節，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係到隧道的抗震能力。以往用於沉管隧道抗震分析的模型多採用彈簧-質量模型，個別工程採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，這將導致後續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-質量模型不適用於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， 不適於世紀工程中的計算分析。
發明內容
針對現有彈簧-質量模型無法模擬沉管隧道水力壓接的不足、現有彈簧-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，本發明的目的在於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點；步驟3，定義該沉管隧道模型所需單元，包括用於模擬管節的梁單元、模擬Gina 止水帶的非線性彈簧單元、用於模擬土體的彈簧與粘壺單元、用於模擬隧道與土體接觸的滑動單元、用於模擬剪切鍵的彈簧單元等；步驟4，設定管節材料的彈性模量、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；
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步驟5，定義模擬接頭部位的節點與該管節端點之間的約束關係；步驟6，將上述各部件組裝為沉管隧道模型，並用於計算分析。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範圍。步驟2中節點包括三部分管節軸線上的節點、用於模擬土體行為的地基彈簧與粘壺的節點以及管節端部沿橫斷面周長的節點，管節軸線上節點的數量與表徵管節的梁單元的幾何尺寸有關。步驟3中所述單元包括用於模擬管節的梁單元、模擬Gina止水帶的非線性彈簧單元、用於模擬土體的彈簧與粘壺單元、用於模擬隧道與土體接觸的滑動單元、用於模擬剪切鍵的彈簧單元。步驟4中包括設定管節材料的彈性模量、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。步驟5中將沿接頭周長方向的節點與該管節端部節點設置為剛體約束，保持這些節點不產生相對位移。更進一步，一種用於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範圍，該沉管隧道模型包括管節、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點。控制節點包括三部分管節軸線上的節點、用於模擬土體行為的地基彈簧與粘壺的節點以及管節端部沿橫斷面周長的節點。管節軸線上節點的數量與表徵管節的梁單元的幾何尺寸有關；步驟3，定義用於模擬該沉管隧道的單元；1)管節的模擬在步驟2所定義的沉管隧道管節軸線節點的基礎上將管節離散為三維線性梁單元，即以每個管節軸線上相鄰兩節點為單元的端點定義三維線性梁單元；2)管節接頭的模擬a)Gina止水帶的模擬用若干非線性彈簧單元模擬Gina止水帶的作用，在步驟2中已設置各管節端部沿橫斷面周長的節點，以接頭兩側管節端部沿橫斷面周長的對應節點為單元端點，將每對節點之間定義為非線性彈簧單元；b)剪切鍵的模擬根據各剪切鍵在接頭的實際布置位置，找出接頭兩側管節端面沿周長的節點的對應節點，以每對對應節點為單元端點定義Cartesian連接單元；若該單元用於模擬水平剪切鍵則在該單元中應定義水平方向的剪切鍵剛度；若為豎直剪切鍵則定義相應的豎直剪切鍵剛度；若擬設計的隧道在接頭橫斷面中部亦有數值剪切鍵，則同樣採用此方法根據具體幾何位置設置剪切鍵的節點並在對應節點之間定義笛卡爾連接單元；3) 土體的模擬以步驟2中定義的模擬土體行為的單元的節點為端點，在空間三個方向分別定義並聯的彈簧單元與粘壺單元，以此模擬土體的行為；4) 土體-隧道相互作用的模擬以管節軸線上節點及與其位置對應的模擬土體行為的單元之靠近管節側的節點為單元端點定義Cartesian & Cardan連接單元，除沿隧道水平縱向的自由度外，其餘自由度均設置為剛性，在水平縱向設置適當的土體-隧道的摩擦係數，法向力的方向定義為豎直方向，該單元允許管節在水力壓接及地震作用下產生可能的縱向滑動；
步驟4，定義材料性質、界面屬性；1)設置關節材料的彈性模量、泊松比等材料常數；2)通過計算確定管節橫斷面的面積、對形心軸的慣性矩、慣性積、扭轉常數以及剪切中心位置等參數；3)採用適當的理論計算確定用於模擬土體行為的彈簧-粘壺並聯單元中彈簧及粘壺各自的係數；4)確定Gina材料的力-壓縮量非線性關係曲線；步驟5，定義約束關係將沿接頭周長方向的節點(包括各剪切鍵對應節點)與該關節端部節點設置為剛體約束，保持這些節點無相對位移；所述沿接頭周長方向的節點包括各剪切鍵對應節點；步驟6，將上述各部件組裝為沉管隧道模型，並用於計算分析。本發明彌補了上述兩模型的不足，能夠模擬沉管隧道施工時水力壓接產生的接頭初始壓縮，精確計算接頭的受力與張開量。該發明中接頭Gina止水帶模擬為沿實際周長布置的若干彈簧，剪切鍵模擬為相應位置的彈簧，實現了對接頭部位的精細化計算。本發明既充分考慮了分析的精度要求，又滿足了計算效率方面的要求，具有很好的工程實用性。
圖1為本發明實例的沉管隧道抗震設計的三維精細化建模方法流程圖。圖2為本發明實例用於沉管隧道抗震設計模型的三維視圖。圖3為沉管隧道管節接頭模型的三維視圖。附圖中標號說明1-沉管隧道管節；2-地基彈簧；3-粘壺；4-滑動單元；5-剪切鍵；6-Gina止水帶； 7-接頭左側管節；8-接頭右側管節；9-左側管節右端點；10-右側管節左端點；11-剪切鍵左側節點；12-剪切鍵右側節點；13-剛性連接
具體實施例方式以下結合附圖和實施例，以通用有限元軟體ABAQUS為基礎，對本發明的具體實施方式
做進一步詳細描述。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，周圍土層的分布等。取擬用沉埋管段法施工的隧道部分為建模範圍。如圖1所示，該沉管隧道模型包括管節1、地基彈簧2、粘壺3、滑動單元4、剪切鍵 5、Gina止水帶6等部分。步驟2，如圖1所示定義該沉管隧道模型的控制節點。控制節點包括三部分管節軸線上的節點、用於模擬土體行為的地基彈簧與粘壺的節點以及管節端部沿橫斷面周長的節點。管節軸線上節點的數量與表徵管節的梁單元的幾何尺寸有關，這取決於分析精度與管節長度，同時還要考慮計算成本。一般說來，節點數量越多精度越高，但計算成本越高。 每隔五米取一個節點，能夠較好的平衡計算精度與計算成本。。本實施例中每根管節長度為 180米，劃分為32個梁單元，因此每個管節軸線上設置了 33個節點。用於模擬土體行為的地基彈簧與粘壺的節點可由各管節軸線上的節點在空間平移得到。管節端部沿橫斷面周長可每隔一段距離設置一個節點，本實施例中每米設置一個節點。步驟3，定義用於模擬該沉管隧道的單元；1)管節的模擬如圖1所示，在步驟2所定義的沉管隧道管節軸線節點的基礎上將管節離散為三維線性梁單元，即以每個管節軸線上相鄰兩節點為單元的端點定義三維線性梁單元；2)管節接頭的模擬a)Gina止水帶的模擬用若干非線性彈簧單元模擬Gina止水帶的作用。如圖1、2所示，在步驟2中已設置各管節端部沿橫斷面周長的節點，以接頭兩側管節端部沿橫斷面周長的對應節點為單元端點，將每對節點之間定義為非線性彈簧單元；b)剪切鍵的模擬如圖2所示，剪切鍵是接頭部位除Gina止水帶外的另一主要構件。根據各剪切鍵在接頭的實際布置位置，找出接頭兩側管節端面沿周長的節點的對應節點，以每對對應節點為單元端點定義Cartesian (笛卡爾單元)連接單元。如果該單元用於模擬水平剪切鍵則在該單元中應定義水平方向的剪切鍵剛度；如為豎直剪切鍵則定義相應的豎直剪切鍵剛度。如擬設計的隧道在接頭橫斷面中部亦有數值剪切鍵，則同樣採用此方法根據具體幾何位置設置剪切鍵的節點並在對應節點之間定義笛卡爾連接單元。3) 土體的模擬如圖1所示，以步驟2中定義的模擬土體行為的單元的節點為端點，在空間三個方向分別定義並聯的彈簧單元與粘壺單元，以此模擬土體的行為；4) 土體-隧道相互作用的模擬如圖1所示，以管節軸線上節點及與其位置對應的模擬土體行為的單元之靠近管節側的節點為單元端點定義Cartesian & Cardan(笛卡爾單元和萬向接頭單元)連接單元。除沿隧道水平縱向的自由度外，其餘自由度均設置為剛性。在水平縱向設置適當的土體-隧道的摩擦係數，法向力的方向定義為豎直方向。該單元允許管節在水力壓接及地震作用下產生可能的縱向滑動；步驟4，定義材料性質、界面屬性等；1)設置關節材料的彈性模量、泊松比等材料常數；2)通過計算確定管節橫斷面的面積、對形心軸的慣性矩、慣性積、扭轉常數以及剪切中心位置等參數。3)採用適當的理論計算確定用於模擬土體行為的彈簧-粘壺並聯單元中彈簧及粘壺各自的係數；4)確定Gina材料的力-壓縮量非線性關係曲線；步驟5，定義約束關係將沿接頭周長方向的節點與該管節端部節點設置為剛體約束(如有中部豎直剪切鍵則應包括該剪切鍵的對應端點)，保持這些節點不產生相對位移；步驟6，將上述各部件組裝為沉管隧道模型，並用於計算分析。上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明範疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種用於沉管隧道抗震設計的建模方法，其特徵在於包括 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點； 步驟3，定義該沉管隧道模型所需單元； 步驟4，定義材料性質、界面屬性；步驟5，定義模擬接頭部位的節點與該管節端點之間的約束關係； 步驟6，將上述各部件組裝為沉管隧道模型，並用於計算分析。
2.根據權利要求1所述的用於沉管隧道抗震設計的建模方法，其特徵在於步驟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範圍。
3.根據權利要求1所述的用於沉管隧道抗震設計的建模方法，其特徵在於步驟2中節點包括三部分管節軸線上的節點、用於模擬土體行為的地基彈簧與粘壺的節點以及管節端部沿橫斷面周長的節點，管節軸線上節點的數量與表徵管節的梁單元的幾何尺寸有關。
4.根據權利要求1所述的用於沉管隧道抗震設計的建模方法，其特徵在於步驟3中所述單元包括用於模擬管節的梁單元、模擬Gina止水帶的非線性彈簧單元、用於模擬土體的彈簧與粘壺單元、用於模擬隧道與土體接觸的滑動單元、用於模擬剪切鍵的彈簧單元。
5.根據權利要求1所述的用於沉管隧道抗震設計的建模方法，其特徵在於步驟4中包括設定管節材料的彈性模量、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。
6.根據權利要求1所述的用於沉管隧道抗震設計的建模方法，其特徵在於步驟5中 將沿接頭周長方向的節點與該管節端部節點設置為剛體約束，保持這些節點不產生相對位移。
7.根據權利要求1所述的用於沉管隧道抗震設計的建模方法，其特徵在於包括 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範圍，該沉管隧道模型包括管節、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點。控制節點包括三部分管節軸線上的節點、 用於模擬土體行為的地基彈簧與粘壺的節點以及管節端部沿橫斷面周長的節點。管節軸線上節點的數量與表徵管節的梁單元的幾何尺寸有關； 步驟3，定義用於模擬該沉管隧道的單元；1)管節的模擬在步驟2所定義的沉管隧道管節軸線節點的基礎上將管節離散為三維線性梁單元，即以每個管節軸線上相鄰兩節點為單元的端點定義三維線性梁單元；2)管節接頭的模擬a)Gina止水帶的模擬用若干非線性彈簧單元模擬Gina止水帶的作用，在步驟2中已設置各管節端部沿橫斷面周長的節點，以接頭兩側管節端部沿橫斷面周長的對應節點為單元端點，將每對節點之間定義為非線性彈簧單元；b)剪切鍵的模擬根據各剪切鍵在接頭的實際布置位置，找出接頭兩側管節端面沿周長的節點的對應節點，以每對對應節點為單元端點定義Cartesian連接單元；若該單元用於模擬水平剪切鍵則在該單元中應定義水平方向的剪切鍵剛度；若為豎直剪切鍵則定義相應的豎直剪切鍵剛度；若擬設計的隧道在接頭橫斷面中部亦有數值剪切鍵，則同樣採用此方法根據具體幾何位置設置剪切鍵的節點並在對應節點之間定義笛卡爾連接單元；3)土體的模擬以步驟2中定義的模擬土體行為的單元的節點為端點，在空間三個方向分別定義並聯的彈簧單元與粘壺單元，以此模擬土體的行為；4)土體-隧道相互作用的模擬以管節軸線上節點及與其位置對應的模擬土體行為的單元之靠近管節側的節點為單元端點定義Cartesian & Cardan連接單元，除沿隧道水平縱向的自由度外，其餘自由度均設置為剛性，在水平縱向設置適當的土體-隧道的摩擦係數， 法向力的方向定義為豎直方向，該單元允許管節在水力壓接及地震作用下產生可能的縱向滑動；步驟4，定義材料性質、界面屬性；1)設置關節材料的彈性模量、泊松比等材料常數；2)通過計算確定管節橫斷面的面積、對形心軸的慣性矩、慣性積、扭轉常數以及剪切中心位置等參數；3)採用適當的理論計算確定用於模擬土體行為的彈簧-粘壺並聯單元中彈簧及粘壺各自的係數；4)確定Gina材料的力-壓縮量非線性關係曲線；步驟5，定義約束關係將沿接頭周長方向的節點(包括各剪切鍵對應節點)與該關節端部節點設置為剛體約束，保持這些節點無相對位移；所述沿接頭周長方向的節點包括各剪切鍵對應節點；步驟6，將上述各部件組裝為沉管隧道模型，並用於計算分析。
全文摘要
一種沉管隧道三維簡化建模方法，包括對沉管隧道進行結構分析，確定需建模部分；定義該沉管隧道模型軸線上的節點；定義該沉管隧道模型所需單元；定義材料性質、界面屬性；定義模擬接頭部位的節點與該管節端點之間的約束關係；將上述各部件組裝為沉管隧道模型，並用於計算分析。本發明能夠模擬沉管隧道施工時水力壓接產生的接頭初始壓縮，精確計算接頭的受力與張開量，實現了對接頭部位的精細化計算。本發明既充分考慮了分析的精度要求，又滿足了計算效率方面的要求，具有很好的工程實用性。
文檔編號E02D29/073GK102561395SQ201210055548
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月5日 優先權日2012年3月5日
發明者付佰勇, 劉洪洲, 徐國平, 李毅, 李貞新, 沈昊, 袁勇, 陳之毅 申請人:中交公路規劃設計院有限公司, 同濟大學