基于有限元-无限元的沉管隧道三维动力响应分析

随着沉管隧道修建越来越多及近年来全球地震活动频发,沉管隧道及其接头在地震作用下的抗震性能成为目前研究的一大热点。文章立足于广州洲头咀沉管隧道工程的实际背景,基于ABAQUS软件有限元-无限元相结合的方法建立了沉管隧道-接头-场地土的三维实体模型,并通过在模型基底输入El Centro地震动时程,研究了不同接头连接刚度条件下沉管隧道不同接头处的动力响应特性。计算结果表明:隧道反应基本上呈对称分布,接头连接刚度越大,接头的内力(轴力、弯矩)也越大。在进行沉管隧道设计时,可以通过采用适当的接头刚度来控制接头的内力。     

考虑地基刚度不均匀影响的沉管隧道接头变形分析

沉管隧道接头是整个结构中最薄弱的环节,其刚度及变形特征对结构安全至关重要。当隧道下卧地层刚度不均匀时,接头变形将更加复杂,因此有必要对沉管隧道在不均匀地层条件下的接头特性进行深入分析。文章基于某沉管隧道工程,建立了三维精细化有限元模型,进行沉管隧道接头部件分析计算,对钢剪切键及混凝土剪切键的力学特性进行了深入研究,得到其剪切刚度取值。之后利用上述研究成果,建立三维壳-弹簧沉管管节模型,对隧道整体变形情况进行分析。考虑地基的不均匀性,进行多工况计算,分析沉管隧道接缝变形情况,验证接头结构的可靠性。     

柔性比对隧道地震动力响应影响研究

地震作用下隧道与围岩动力相互作用的强弱与隧道和围岩的相对刚度关系密切,为分析地震作用下隧道衬砌与围岩相对刚度对结构内力的影响,文章引入柔性比的概念进行抗震数值计算分析。通过对地震波、边界条件进行处理,建立计算模型分析在不同围岩等级、衬砌厚度、混凝土强度等级、隧道直径情况下结构内力的变化情况,并给出了不同柔性比条件下隧道衬砌地震反应的基本规律。结果表明,柔性比越大,地震作用下隧道的内力越小;在进行隧道结构多道设防时,相邻结构的刚度应逐渐变化,且每一层的厚度不应过大。     

高烈度地震区公路双连拱隧道地震动力响应研究

针对目前尚未对高烈度地震区双连拱隧道这种特殊的结构形式进行具体深入的动力响应研究的现状,从土-结构相互作用模型出发,运用数值分析方法对连拱隧道进行了三维弹塑性分析,主要研究水平方向上传播的剪切波所引起的双连拱公路隧道的地震动力响应。从计算结果看出,随着埋深的增加,双连拱隧道衬砌的水平位移逐渐减小,衬砌内力逐渐增大,而变化趋势逐渐平缓;随着中墙厚度的增加,隧道衬砌水平方向的位移峰值逐渐增大,因此建议采用2.2 m厚中墙。研究结果表明,连拱隧道衬砌的仰拱、墙脚及拱肩为抗震的薄弱环节。     

龙溪隧道出口段在地震荷载下变形破裂特征及其数值模拟分析

龙溪隧道出口段主要有表层覆盖层和下伏基岩组成.文章根据边坡地形地貌以及地质结构分析了隧道在地震作用下的变形破裂特征.在此基础上,运用ansys有限元软件对龙溪隧道在Ⅺ度地震烈度荷载作用下的动力响应进行分析,并结合5·12地震后的现场调查,将数值模拟结果与现场的破坏现象进行了对比,得出地震作用下隧道洞口横向边坡的动力反应从坡内向坡外、坡底向坡顶整体上呈逐步放大的趋势;从洞口至基岩与崩坡积分界面处,变形主要在隧道管段之间的接缝处发牛相对错动,并且有逐渐减弱的趋势;在隧道基岩与覆盖层分界面上,隧道衬砌变形量发生突变,衬砌开裂方向与基覆界面产状基本一致,从分界面向内,衬砌变形变得不明显.研究这一变形破坏现象,对认识隧道洞口段在地震作用下的变形破坏规律及极震区隧道洞口段的抗震结构设计具有重要意义.     

大型沉管隧道管节接头刚度特性研究

沉管隧道管节接头具有调节沉管隧道受力性能以及适应隧道不均匀变形的功能,在隧道运营中起着非常重要的作用。文章以港珠澳沉管隧道管节接头为研究对象,建立了管节接头刚度的三维非线性有限元计算模型,对管节接头的受力变形特征进行了分析,分别得到了管节接头轴向压缩刚度、弯曲刚度与轴向压缩荷载、压缩弯矩之间的变化规律。结果表明:轴向压缩刚度随轴向压缩荷载增大而增大;轴向弯曲刚度随轴向荷载增大而增大,但在相同轴压下,弯曲刚度随弯矩增大而减小。此外,结合管节接头模型试验进一步研究了管节接头轴向压缩刚度和弯曲刚度的变化规律及影响因素,并对比分析了有限元计算结果与模型试验结果,模型试验得出的接头刚度变化规律与有限元模拟结果一致。研究得到的管节刚度对沉管隧道整体计算研究具有重要参考意义。     

静力作用下沉管隧道三维数值模拟

沉管隧道纵断面结构计算常采用弹性地基梁或弹性地基板法,但这些方法较难真实模拟沉管隧道的受力情况,特别是接头的受力情况。文章以三维实体单元出发,引入适当的假设,对沉管隧道静力作用下的受力、位移,特别是接头受力情况进行了详细的模拟分析,对沉管隧道结构纵向计算做了有益的探索,对类似工程有较强的指导意义。     

沉管隧道管节柔性接头模型研究现状及展望

沉管隧道柔性接头柔度较大,能够适应软弱河床引起的不均匀沉降,并满足抗震要求,在实际工程中应用广泛。然而,柔性接头部件繁多,作用复杂,模型建立较为困难,造成沉管隧道静力及动力分析结果不准确。文章介绍了沉管隧道管节接头类型及柔性接头基本构造,从理论计算模型和数值计算模型两方面对国内外研究现状进行了回顾总结,简述了多种柔性接头模型作用机理,分析其合理性及不足之处,并对今后柔性接头模型研究提出了建议,包括:尝试采用接头模型试验研究方法,使结果更为直观;考虑主要接头部件,添加合理初始条件,建议采用数值解对柔性接头刚度进行描述;采用多种研究方法对比分析或多种接头模型对比分析,验证接头模型的可靠性。     

基于改进动力强度折减法的隧道地震破坏机理探讨

文章分析了影响隧道在地震作用下破坏的因素,研究了不同围岩级别、不同跨度、不同结构形式和不同埋深等条件下隧道结构在地震中的破坏机理,分别针对各个影响因素进行了对比分析;通过静动力转换边界将静力场施加到动力计算中作为初始应力条件,对动力强度折减法进行了改进,通过计算应用证明了其可行性;使用改进的动力强度折减法对深、浅埋隧道在地震作用下的破坏机理进行了计算分析。结果表明,不同埋深隧道在地震中的破坏过程不同,浅埋隧道是从隧道上方两侧开始破坏的,逐渐形成贯通到地面的破裂面;深埋隧道最先在4个边角的应力集中处出现塑性应变,顶部和底部的塑性应变较小,随后从两侧开始逐渐形成贯通的塑性应变区,直至破坏。     

武汉地铁越江盾构隧道纵向不均匀变形及力学特性研究

地铁盾构隧道,尤其是大型跨江海的水下地铁盾构隧道,局部埋深通常要大于普通地铁盾构隧道,而且要承受较高的水压力作用;盾构隧道作为特长线性结构,其纵向刚度较小,对于外部荷载的变化较为敏感,由此产生的不均匀变形是隧道工程中不可忽视的问题。文章针对武汉地铁越长江盾构隧道工程,通过三维数值计算探讨了埋深变化、水压变化、地层变化及穿越刚性结构物等因素对越江盾构隧道纵向不均匀变形及受力状态的影响。     

海底沉管隧道管段海上系泊方式研究

海底沉管隧道管段海上系泊阶段的结构运动响应及布缆方式,直接影响其水上施工的安全性和经济性。针对某沉管隧道管段系泊工程,文章利用基于三维势流理论的水动力软件AQWA建立管段海上系泊仿真模型,分别对五种不同的系泊方式进行时,频域分析,探讨了布缆方式对沉管管段运动响应及缆索受力的影响。结果表明:管段在高频区域内稳定性较好,响应幅值很小;四缆系泊方式在实际工程中不可采用;八缆系泊方式较安全;在海况较好的情况下,可以采用更加经济的六缆系泊方案。     

负覆土隧道结构变形分析及控制

在地面道路与地下隧道的交通接线工程中,往往采用大开挖施作暗埋段结构,这就给地面带来了很大的环境影响,地面出入式盾构法隧道施工技术(GPST)成为解决这种矛盾的有效途径。文章以该技术的示范工程为背景,着重阐述了隧道结构变形因素分析及理论计算以及管片稳定装置、同步注浆控制以及提高隧道接头刚度等隧道变形控制技术。GPST工法的提出拓展了盾构法隧道的应用范围,为隧道线路规划设计提供了一种新的思路。     

软土深埋大直径盾构法隧道施工受力及变形特性研究

随着我国城市化建设及区域融合的日益加快,盾构法隧道朝深大方向发展,隧道安全设计及建造面临着更为严峻的挑战。为探究软土地区大直径盾构深埋段的力学及变形特性,以上海某大型隧道工程为背景,通过全断面围压、结构内力及三维激光扫描变形测试,获取了盾构隧道施工期全过程结构受力变形发展规律;分析了软土地区深埋区段盾构法隧道变形发展机制,并探讨了结构内力及变形响应与外部荷载间的关联性;发现盾构法隧道变形与管片拼装机脱出盾尾时的受力有密切联系。由于深埋段围压较大,因此变形以对称状态为主,软土地区大直径隧道管片结构受力由施工初始阶段的局部受拉最终转变为整体受压、构造钢筋不受力状态。上述发现为后续合理确定盾构隧道受力模式及合理确定计算方法提供了技术支撑。     

大直径盾构隧道双层衬砌管片结构计算

目前,大直径盾构隧道的运用日益增多,常用的盾构隧道多为单层衬砌结构。鉴于单层衬砌管片结构存在一些缺点,双层衬砌管片结构的设计与使用逐渐引起人们的注意。文章针对大连地铁5号线跨海段盾构隧道双层衬砌结构,运用Abaqus软件并考虑围岩压力、地震荷载作用、溶洞以及施作方式对于结构的影响,计算分析不同工况下盾构隧道双层衬砌管片结构的变形以及受力特征。研究结果表明:基本荷载下结构受力的主体为初衬,二次衬砌的作用应更多考虑为耐久性和安全储备。地震荷载作用下二次衬砌结构内力显著增大,相对于基本荷载,初衬内力增幅为8.57%～44.1%,二次衬砌内力增幅为123.6%～332.4%,二次衬砌结构将在抵抗地震等偶然荷载作用时发挥较大作用。地震荷载作用下溶洞对双层衬砌结构内力及变形影响很大,相对基本荷载工况,初衬内力增幅为11.0%～216.5%,二次衬砌内力增幅为192.4%～353.1%,轴向变形增幅为58.9%～81.34%,水平向变形增幅约为143.6%。因此,建议对溶洞进行合理加固,以保证隧道安全。     

切向摩阻力对横穿滑坡区隧道受力变形的影响分析

将横穿滑坡变形区的隧道简化为弹性地基梁,当滑坡区内隧道段较长时,便会发生较大的弯曲变形;作为特殊的全埋式弹性地基梁,有必要研究切向摩阻力的影响。文章首先建立了考虑切向摩阻力作用下隧道的弹性地基梁计算模型,然后引入逐步修正的思想,采用传递矩阵法建立了其内力和位移的传递矩阵计算式,并编制了相应的计算程序。计算结果表明:切向摩阻力对隧道的影响范围主要集中在滑坡边界的附近区域,并使隧道的内力和位移在一定程度上均有所减小;滑坡区内切向摩阻力系数对隧道的内力和位移影响相对较小,滑坡区外切向摩阻力系数对隧道的内力和位移影响相对较大。     

高烈度地震区公路隧道洞口段地震响应分析

根据隧道地震安全性评价报告和地勘资料,建立了三维数值计算模型并采用一致粘弹性人工边界模拟动力边界,对高烈度地震区公路隧道洞口段进行了瞬态动力计算。计算结果表明:在三向地震荷载激励下,洞口段衬砌的地震响应具有明显滞后性,衬砌以水平横向振动为主、轴向振动次之、竖向振动最弱;洞口段衬砌的拱腰部位将承受极大拉应力和剪应力,可设减震层吸收地震能量。通过对衬砌相对位移的分析得出,衬砌横向和轴向变形都很小,衬砌稳定性尚好。     

浅埋软弱破碎围岩隧道进洞施工技术研究

进洞一直是隧道施工的关键环节,而洞口工程的顺利完成是暗洞正常施工的前提。目前,采用超前管棚支护、超前小导管注浆等超前支护方式基本能够保证隧道顺利进洞,但是大部分隧道进洞后在洞口段均会出现初期支护沉降变形较大的现象。山西省高(平)-陵(川)高速公路郭家川2#隧道洞口段围岩极其软弱破碎,在隧道采用超前管棚支护顺利进洞后,为了防止洞口段初期支护再次出现较大的沉降变形,提出在洞口段采用联合支护的方案,即将洞口段初期支护的钢拱架与护拱连接,并加强初期支护钢拱架之间的纵向连接,实践证明此方案是切实有效的。分析对比表明,对于浅埋软弱破碎围岩隧道,联合支护方案能够有效地减小洞口段初期支护的变形量,保证隧道结构的稳定性,从而保证隧道安全、快速进洞。     

宁波市常洪隧道江南暗埋段结构设计

宁波常洪隧道江南暗埋段修建在管段制作的干坞范围内，其基底有需要垫高的，也有需要挖除干坞基础的，故设计的重点就是在满足结构的强度、刚度和稳定性后，减少不同结构段之间的不均匀沉降，使其变形控制也在允许范围内。     

超浅埋小间距隧道穿越既有公路变形规律模拟研究

针对下穿既有公路的某超浅埋小间距隧道工程,对入口段的穿越施工过程进行了仿真模拟研究。研究结果表明,浅埋区左、右线隧道整体有左移的趋势,右线最大水平偏移量是左线的6~8倍左右;地表沉降由右洞拱顶地表向左洞延伸形成一沉降槽,右隧道拱顶地表沉降量最大;对存在偏压的浅埋小间距隧道,衬砌结构采用不对称几何形状设计比较有效;从中隔墙到偏压山体与地表交界处形成了明显的剪切带,应为施工期加强支护和监控重点区域。文中所给出的穿越里程段的偏压小间距隧道的变形规律、应力分布及中隔墙和衬砌支护结构的变形特征,以及既有公路路面的沉降规律等,对该工程的安全顺利施工和类似工程的设计与施工均有一定的积极作用。     

超长沉管隧道大型模型试验设计与应用

文章结合港珠澳大桥沉管隧道工程实例,采用局部相似装配式剪力键方案,对超长海底沉管隧道在不均匀沉降及不均匀荷载作用下的节段接头作用机理进行了研究。经材料配比与模型制作,进行了1:4.69的大型沉管节段模型试验;沉降模型试验平台经技术改造,能够满足试验过程中的模型搬运、对接、加载、复位等功能;控制试验平台底部千斤顶的差异沉降,可以模拟沉管节段接头纵向与横向的不均匀变位;采用钢筋计及压力盒对沉管结构钢筋应力、沉管结构与土体的接触压力进行测试,采用电阻应变花和光纤光栅应变花对剪力键表面及内部的应变进行测试。通过对所得试验数据的初步分析,得到了节段接头剪力键剪应力随差异沉降及剪应力沿沉管横截面的分布规律。