車流荷載作用下盾構隧道結構動力響應及并行算法研究.pdf

1、隨著交通量不斷增加、車流運行速度不斷提高、荷載幅度的加大,隧道結構的動力問題曰益突出,對車流通過隧道時由于隧道振動和變形導致應力重分配而產生的結構安全性、動力承載力和使用可靠性等已稱為人們廣泛關注的重要問題.通過對隧道結構在運行車流作用下進行動力響應分析,可直接計算得到隧道結構在以不同速度、不同交通密度運行的車流作用下的襯砌管片應力、管片聯結螺栓應力以及最大豎向加速度等等.這些動力響應分析結果可直接用于隧道結構特別是新型隧道的設計.另一

2、方面,公路車輛在隧道類地下結構通過時,會引起結構的振動,對隧道襯砌的安全性會產生影響. 運行車流作用下結構動力分析的研究涉及到結構工程學、交通工程學、車輛動力學等多個工程領域.要研究運行車流作用下隧道結構的動力響應,就要對車流運行過程中作用于路面的荷載進行仿真計算.本文把交通工程學領域的微觀交通流模型引入到車輛動力學和結構工程學領域,分別建立了基于跟馳模型和元胞自動機模型的車流荷載數學模型.此外對路面不平整引起的車輛動荷載進行了

3、分析,車輛振動模型分別采用四分之一車身結構的兩自由度模型和步進式懸架車輛振動系統(tǒng),并進行了比較分析. 在仿真得到隧道結構上的車流荷載后,采用全三維非線性有限元建模方法,建立了上海復興路盾構隧道總體有限元模型.整體有限元模型中節(jié)點數超過了400萬.有限元模型中考慮了土體的材料非線性特性,采用三維動態(tài)接觸模型建立了管片的接頭模型、襯砌環(huán)與襯砌環(huán)之間以及襯砌管片與土體之間的邊界條件非線性問題,能夠獲得更加接近真實的結構響應.

4、建立了盾構隧道的有限元模型后,對模型中的參數設置進行了試驗驗證.結合上海隧道工程股份有限公司施工技術研究所于1999年對雙圓盾構隧道襯砌模型試驗及結構分析的結果,提出了混凝土襯砌結構三維有限元計算模型,采用顯式算法對六點集中加載工況下混凝土襯砌環(huán)有限元模型的應力場分布與變形進行了計算分析.結構應用三維接觸模型和算法考慮了管片接頭的不連續(xù)性對襯砌應力和變形性質的影響.通過研究發(fā)現:雙圓盾構隧道管片變形、內力試驗結果與計算吻合較好,變化趨勢

5、與變化規(guī)律一致.最后兩者對比分析,上海復興路盾構隧道管片有限元模型建模方法和材料參數合理、可靠. 采用三維非線性有限元建模技術建立的盾構隧道總體有限元模型規(guī)模巨大,具有系統(tǒng)非線性特性,此外車流荷載作用是一種時間歷程.盾構隧道結構動力響應的實質是一個超大規(guī)模非線性系統(tǒng)的響應計算問題,串行計算技術無法勝任此工作.而現有結構動力學并行算法以各節(jié)點的自由度數均衡為分區(qū)策略,沒有考慮每個節(jié)點的計算量可能不同,從而影響并行計算效率.本文根據

6、盾構隧道結構動力響應數值模擬的要求,以及結合上海超算中心曙光4000A計算機的體系結構特點,對盾構隧道進行合適的分區(qū),設計合理的分區(qū)方法,提出了各節(jié)點計算量均衡的區(qū)域分解并行計算方法,并把該方法分別應用到雙圓盾構隧道有限元模型和上海復興路盾構隧道有限元模型上. 在上述前提工作的基礎上,對車流荷載作用下的上海復興路盾構隧道進行了結構動力響應分析.首先闡述了顯式非線性有限元計算方法及其關鍵技術,其中包括顯式算法計算流程、時步控制、沙