大型盾構隧道地震動力響應數(shù)值模擬方法及應用.pdf

1、經(jīng)濟的發(fā)展離不開交通，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，隧道等地下結構的大量建設已成為解決我國交通問題的一個重要手段，確保其抗震安全性具有重要的社會和經(jīng)濟意義。目前，地下結構抗震研究已成為我國乃至國際上的重要課題，關于隧道等地下結構地震動力響應已有不少數(shù)值模擬研究，如何更真實地反映地震激勵下大型盾構隧道的動力響應以及提高數(shù)值模擬的準確性和計算效率越來越受到重視。
　　本文提出了大型盾構隧道地震動力響應數(shù)值模擬方法，創(chuàng)建了上海市長江隧道及周圍

2、土體全尺寸三維有限元模型，結合曙光5000A高性能計算平臺，再現(xiàn)了大型隧道結構在不同地震激勵工況下的復雜動力響應，對隧道結構的抗震性能進行了綜合分析，為隧道結構的抗震設計提供了參考依據(jù)，本文主要研究內(nèi)容包括：
　　研究了大型盾構隧道地震動力響應數(shù)值模擬基本方法及理論?？紤]到整體有限元模型單元數(shù)量龐大，因此在計算過程中采用了不需要迭代求解的顯式積分算法。與節(jié)點位移變形協(xié)調一致的方法相比，建立動態(tài)接觸模型能更好的反映接觸表面的接觸及相

3、對滑動。對于大規(guī)模復雜工程問題的求解，采用并行計算技術已成為必然。通過采用區(qū)域分解算法可降低大型工程問題規(guī)模，實現(xiàn)并行計算。
　　研究了上海長江隧道及周圍土體數(shù)值建模方法。為了減小因結構簡化而導致的誤差，創(chuàng)建了長江隧道全尺寸三維有限元模型。考慮到各土層不同動力特性對仿真結果的影響，土體模型依據(jù)了相關資料完成分層。建模過程中需確保隧道與土體的有效配合，之間的接觸通過建立三維動態(tài)接觸模型來實現(xiàn)。整體有限元模型單元數(shù)目龐大，故采用并行計

4、算方法完成數(shù)值模擬，同時研究了并行計算對計算效率的提高作用。
　　研究了初始工況下隧道結構的響應。采用了分步加載方式，較好的模擬了隧道開挖過程，得到了重力作用下的初始地應力，最后將初始地應力與通過編程求得的隧道外壁靜水壓力導入初始有限元模型。通過數(shù)值模擬，研究了在初始工況下，各控制斷面（包括普通斷面和聯(lián)絡通道）變形及應力，分析了可導致隧道破壞的不利位置和不利斷面，并為之后研究考慮重力場影響的地震工況提供了基礎。
　　研究了地

5、震工況下隧道結構的動力響應。通過在整體模型底部加載基巖加速度時程曲線，作為地震輸入激勵，模擬了長江隧道在橫向及縱向激勵下的動力響應。并在整體模型四周添加了粘彈性人工邊界，減小了有限域邊界條件影響，并考慮了阻尼在結構動力分析中的作用。通過數(shù)值模擬，研究了在地震激勵下各控制斷面變形及應力規(guī)律，分析了不利位置、不利斷面和不利工況，為隧道等地下結構的抗震設計及分析提供了有益的參考。
　　研究了考慮初始工況下的隧道結構地震動力響應。首次采用