基于壳单元的盾构隧道参数化结构计算与验证

三维壳单元较二维梁单元能更精细地模拟管片结构受土体作用下的力学行为。为了推广三维壳单元隧道结构计算模型在大直径盾构隧道结构计算中的应用,提出基于壳单元的参数化隧道结构建模方法(Shell element-based Parametric Tunnel Structure Modeling,SPTSM)。SPTSM基于隧道中轴线及截面半径参数,能自动生成由壳单元所组成的隧道模型。在模型中,相邻环之间的壳单元公共边被定义成线性铰,以此模拟管片环缝间的接头刚度;管片纵缝间的接头刚度通过均质圆环法引入折减系数进行替代;壳单元节点被施加荷载压力、地层弹簧及约束支座,以模拟管片结构与围岩之间的力学行为。SPTSM提供了结构自动建模算法和壳单元节点荷载的自动计算算法,并通过调用Karamba3D有限元结构计算内核,实现盾构隧道结构的建模-计算一体化。将SPTSM应用于杭州某大直径盾构隧道工程76 m区间段,对比结构变形的计算和实际检测结果,验证SPTSM的合理性。SPTSM能自动建立精细的三维壳单元盾构隧道结构模型,并同时完成荷载压力、地层弹簧、线性-铰刚度以及约束支座的布置和设定。对比点云扫描的结...     

不同FE建模方法对疲劳强度分析结果影响的对比研究

为了提高工程结构强度分析的效率,基于ANSYS和Hyper Mesh平台建立了某型号机车焊接构架的全实体单元模型和体—壳混合单元模型,并对这2种建模方法的建模时间、分析周期及疲劳强度的计算精度进行了对比分析。针对体—壳混合单元组合建模中存在的体、壳单元连接处自由度不匹配的问题,在接口引入了RBE2刚性连接单元来提高计算精度。研究表明:全实体单元建模方法在工作量、分析周期以及有限元模型的规模等方面,都数倍于体—壳混合单元组合建模方法;采用合理的体、壳单元连接措施后,其疲劳强度分析计算精度的相对误差能控制在10%的范围内,对提高工程结构强度分析效率具有良好的应用价值。     

机车车体典型焊接接头应力分析

为解决近年来在采用壳单元的重载机车车体结构强度分析中,牵引梁与中梁过渡区域焊接接头的理论分析结果与试验结果存在较大差异这一问题,提出将车体主体结构离散为壳单元,分别采用壳单元和实体单元离散牵引梁与中梁的过渡区域。基于机车的运用工况,确定车体在纵向压缩和拉伸载荷作用下的理论应力分布并与试验结果进行对比,研究壳单元和实体单元对典型焊接接头应力分布的影响,并对该区域的局部结构进行优化。分析结果表明:在典型焊接接头区域,实体单元比壳单元具有更高的计算精度,且与试验结果吻合度较高;采用实体单元能更准确地模拟存在较高应力集中效应的焊接接头的应力分布。     

不同自由度单元之间连接刚度问题的研究与应用

针对有限元分析中,板壳单元与实体单元之间由于自由度的不匹配,使转动自由度在板壳单元与实体单元交界处产生不连续的问题,提出了采用约束方程进行联合建模的思路。根据有限元理论进行公式推导,得到了约束方程在板壳单元与实体单元连接处的刚度协调方程;用有限元实例进行计算比较验证;将该建模方法运用于某地铁车的仿真当中。理论分析及仿真结果表明,非协调性单元之间自由度的协调统一对仿真结果有较大的影响,采用约束方程在板壳单元与实体单元之间形成过渡能有效消除自由度不协调的问题,从而得到更切合实际的仿真结果。     

有限元三维实体单元与壳单元的组合建模问题研究

板单元与实体单元之间的连接由于本身自由度的不同使转动自由度不连续，这个问题是有限元计算中比较难以解决的问题，本文采用复合单元来实现板单元与实体单元之间的过渡，复合单元可以看成是板单元与实体单元的组合，其刚度矩阵可以看成是板单元刚度矩阵与实体单元刚度矩阵的叠加，即复合单元具有三个方向的位移自由度和三个方向的转动自由度，通过对全实体有限元模型和具有复合单元的有限元模型的计算证明，采用复合单元来实现板单元与实体单元之间的过渡，其计算结果与全实体有限元模型的计算结果偏差较小，结果真实可靠。     

实体退化板-壳组合单元法及钢-混结合梁桥施工过程力学分析

在实体退化等参单元的基础上,引入板壳理论的基本假定,构造了三维8～20节点实体退化板壳组合单元。由于同一个单元包含了不同的板壳组件,不同的板壳组件又可以由不同的材料组成,同一个板壳组件又可以分为若干个不同的材料分段(允许材料为空,相应的材料参数置零),单元刚度矩阵需要通过对不同的材料分区分块积分后叠加组合而成。板壳组件的应力应变由整体笛卡儿坐标系下单元的应力应变经过坐标转换后求出。桃河特大桥的施工过程及成桥静动载的理论分析结果与实测结果表明,该方法不仅可以减少组合结构桥梁的单元剖分数量,提高计算效率,并且精度完全能够满足控制要求,具有良好的工程应用前景。     

铁道车辆板梁结构多方案对比分析

为合理处理铁道车辆车体上的板梁组合结构,解决车体结构分析中典型的板梁偏心连接问题,构建了偏心节点的节点位移关系式,利用APDL语言实现了批量约束方程的施加;并根据ANSYS软件中梁单元、板单元、实体单元的基本特征构造了5种板梁组合结构模型,对它们进行了有限元分析及对比.研究结果表明:对于同一典型的板梁结构,用板梁偏心组合建模(单点约束)方案得到的模型与用实体建模方案得到的模型有限元分析结果比较接近,用全板壳建模的两种方案均相对实体单元模型约束稍强,而用板梁偏心组合建模(双点约束)方案得到的模型则约束过强;同时采用板梁组合建模的模型单元数和节点数相对较少,可以节省计算机时,降低计算费用.     

钢铝混合车体铆接结构有限元建模方法研究

为建立一种适用于钢铝混合车体铆接结构的简化有限元模型,基于ANSYS平台,采用壳单元与MPC184刚性梁单元在3种不同的复杂程度下分别建立了双排单搭板铆接结构和双排双搭板铆接结构的简化有限元分析模型,并与全实体有限元模型进行了比较分析。在此基础上提出了铆接结构采用壳单元与MPC184刚性梁单元进行离散化的工程方法,并将其成功运用于某钢铝混合车体强度分析中。研究表明:采用该方法对铆接结构进行离散化时,在距离铆钉距离大于10倍的铆钉名义直径区域,铆接结构的von_Mises应力计算相对误差在5%以下,且随着距离的增加逐渐减小;在对大型铆接结构进行强度分析时,综合采用该方法与子模型技术在保证其计算精度的前提下提高了计算效率。     

高速列车撞击盾构隧道的混合多尺度动力分析模型

列车脱轨会对隧道结构产生重大损害,为此提出一种在保证计算精度的前提下能大幅度提高计算效率的列车撞击盾构隧道混合多尺度动力分析模型,以降低列车脱轨事故的潜在风险.首先,建立考虑管片接头效应的常规非多尺度模型及2种单一多尺度模型(同类型单元粗细网格耦合多尺度模型和不同类型单元壳-体耦合多尺度模型),通过3种模型的管片静力学...     

铁路下穿式结构施工受轮轨作用力的影响分析

针对既有线下隧道施工引起的轨道变形而加大轮轨作用力的情况,以在建地铁南京站为例,通过弹塑性动力有限元法分析行车动荷载对轨下施工中隧道的影响,同时分析了由于轨下构筑物的存在对路基内动应力的影响。分析中采用轨枕—道床全支承模式,土体采用理想弹塑性动本构模型,分别考虑了轨道不加固情况和采用D24型便梁加固两种情况,计算得到了隧道上覆土体及隧道初衬结构的动力响应。对两种情况的计算结果进行比较,表明对线路采取便梁加固后,隧道拱部土层的附加动应力减小了76%,而初衬的附加动应力减小了58%,便梁加固时减小了列车动荷载对施工期隧道的影响,有利于初期支护的施工;轨下构筑物的存在将减弱列车动应力往深层传递的衰减,在既有线路的地下构筑物施工中应引起重视。     

泥炭质软土地区盾构隧道抗震性能研究

文章采用ANSYS有限元分析软件,对土体与衬砌管片组成的耦合系统进行盾构隧道抗震三维有限元分析,其中考虑了土层的内摩擦角、内粘聚力。对不利于抗震的泥炭质土层采用多线性随动强化处理,使计算结果更加真实可靠。管片采用实体梁单元模拟,地震波选取汶川地震的地震动曲线。计算结果包括隧道周围土体的时程位移曲线、管片的轴力、剪力、弯矩等。最后从地震对盾构隧道的影响,对隧道抗震性能进行了初步评估,其结论可供昆明地区盾构隧道抗震设计参考。     

地铁施工对管线的影响

隧道支护结构-土体三维有限元分析模型计算与施工监控量测相结合,分析北京地铁4号线黄庄站施工对地下管线的影响,并根据有关管线安全性的评价标准分析和预测地下管线的安全性。采用等效方法模拟钢架、锚杆;采用能承受轴弯性能的空间等参壳单元模拟初期支护及临时结构;采用遵循有限变形理想弹塑性本构关系和Drucker-Prager屈服准则的空间等参实体单元,模拟二次衬砌和围岩。数值模拟计算结果表明,开挖完成后的最大地表沉降预测值为121.63 mm,不超过127.27 mm的管线安全性要求,管节差异沉降亦不超过控制标准。但由于黄庄站地层存在着比较多的空洞,且地层富水和管线下漏水,因此为保证管线的正常使用,仍须采取措施控制地表沉降。     

基于ABAQUS的地质偏压隧道非线性接触分析

针对于山岭隧道常出现的,穿越倾斜产状的层状岩体,或多在隧道进出口处节理裂隙发育的情况,结合成兰铁路茂县隧道出口地段所处的地质偏压环境,应用ABAQUS有限元分析软件中的面-面接触单元,建立节理软弱结构面的二维隧道模型。并对地质偏压隧道的围岩压力及衬砌结构内力进行非线性接触分析和计算,初步得出单线铁路隧道在地质偏压情况下围岩和衬砌结构的位移、应力的分布特征,并讨论软弱结构面的摩擦系数对隧道偏压作用的影响,根据隧道受力特点提出隧道在地质偏压情况下可能采取的建议和措施。     

论喷锚构筑法在软弱围岩隧道施工中的应用

研究目的:通过对开挖方法、初期支护、监控量测、二次衬砌等关键技术的探讨和分析,为今后类似工程施工总结经验。研究结论:软弱围岩隧道可用分步开挖方法,及早初期支护,及早封闭成环,改善围岩受力结构;加强设计与施工的配合协调,在隧道施工过程中进行位移监控量测,掌握位移变化规律,动态调整设计参数,调整二衬等施工工序施作时间,必要时仰拱、二衬紧跟,保证隧道施工安全。     

隧道二衬欠厚检测及结构安全性分析

针对西部某高速铁路隧道二衬病害问题,采用SIR-3000型探地雷达进行二衬检测,根据病害部位、类型以及程度不同,建立多种工况的有限元模型,并以拱顶、拱腰和边墙的安全系数为评价标准,对二衬病害引起衬砌结构安全问题进行总结.检测结果表明:二衬缺陷主要表现为欠厚问题,占总病害数的69.9％,且各部位欠厚数呈正态分布.分析表明...     

盾构隧道通用管片结构力学行为与控制拼装方式研究

采用梁-弹簧模型模拟管片结构、荷载-结构模型计算作用在管片结构上的荷载,并借助有限元法对不同拼装方式下地铁区间盾构隧道通用管片结构进行力学行为分析。结果表明:通用管片结构在不同拼装方式下的力学行为是不相同的,与拼装类型、分析目标环的环向和纵向接头的位置、封顶块的位置有关;错缝拼装控制通用管片结构正负弯矩、剪力、纵向螺栓剪力设计值;通缝拼装控制变形量和地层抗力设计值。对于内力较大的拼装方式,在施工中应采用回避的方式解决,所以配筋设计中可只按一般的内力值进行计算,以便减少管片结构的配筋量和减小螺栓直径,从而降低工程造价。     

硬岩铁路隧道湿喷聚丙烯纤维混凝土支护结构稳定性分析

在隧道支护结构中采用湿喷工艺喷射聚丙烯纤维混凝土技术可以提高隧道围岩的稳定性，符合混凝土向高性能、绿色化、施工注重环境保护的发展趋势。在宝鸡-兰州复线东巨寺沟铁路隧道选取试验段中实施湿喷工艺喷射聚丙烯纤维混凝土，作为支护结构，并作永久性支护结构，免除二次衬砌工作。采用非线性有限元方法，分析了该铁路隧道试验段采用湿喷纤维混凝土支护结构的隧道围岩稳定性，分析了未支护和湿喷纤维混凝土支护的隧道围岩稳定性。分析结果表明：与未支护的隧道相比较，支护后的隧道围岩塑性区分布范围得到了减小，隧道变形微小。隧道变形实测结果表明：隧道的变形微小，处于稳定状态。     

基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

隧道衬砌水压力荷载及内力研究

通过轴对称解析计算和有限元数值计算隧道在不同衬砌渗透系数、不同注浆圈厚度、不同衬砌厚度条件下,衬砌背后的水压力、流量及衬砌内力,分析影响水压力的因素和水压力对衬砌内力的影响,轴对称解析计算和有限元数值计算结果显示水压力和流量十分接近。衬砌不透水时,水压力荷载系数不折减;在控制排水的条件下,调整衬砌渗透系数、注浆半径和衬砌厚度可以改变水压力、流量和衬砌内力。设计时正算水荷载,施工时通过监测流量反算水荷载,对水荷载设计进行检验和修正。     

地铁隧道二次衬砌钢筋网防裂性能研究

为了定量分析防裂钢筋网提高隧道衬砌结构抗裂性能的机理和幅度,以地铁双线隧道二次衬砌结构为研究对象,采用荷载结构法和杆系有限元数值模拟方案,定量分析二次衬砌结构不设置与设置钢筋网这2种情况下的开裂临界荷载。其中素混凝土结构以达到极限拉应变为临界状态,衬砌结构增设钢筋网后以达到GB 50157-2013《地铁设计规范》允许的最大裂缝宽度0.2mm为临界状态。分析结果表明,配置防裂钢筋网后,Ⅲ级和Ⅳ级围岩衬砌结构抗裂性能可分别提高22.4%和19.3%,Ⅴ级围岩衬砌结构抗裂性能提高15.2%;Ⅲ级和Ⅳ级围岩二次衬砌结构的破坏形式由脆性破坏变为延性破坏,从而提高了其安全性能。