車流荷載作用下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致應(yīng)力重分配而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)安全性、動力承載力和使用可靠性等已稱為人們廣泛關(guān)注的重要問題.通過對隧道結(jié)構(gòu)在運行車流作用下進行動力響應(yīng)分析,可直接計算得到隧道結(jié)構(gòu)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(yīng)力、管片聯(lián)結(jié)螺栓應(yīng)力以及最大豎向加速度等等.這些動力響應(yīng)分析結(jié)果可直接用于隧道結(jié)構(gòu)特別是新型隧道的設(shè)計.另一

2、方面,公路車輛在隧道類地下結(jié)構(gòu)通過時,會引起結(jié)構(gòu)的振動,對隧道襯砌的安全性會產(chǎn)生影響. 運行車流作用下結(jié)構(gòu)動力分析的研究涉及到結(jié)構(gòu)工程學(xué)、交通工程學(xué)、車輛動力學(xué)等多個工程領(lǐng)域.要研究運行車流作用下隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng),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(xué)領(lǐng)域的微觀交通流模型引入到車輛動力學(xué)和結(jié)構(gòu)工程學(xué)領(lǐng)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(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)興路盾構(gòu)隧道總體有限元模型.整體有限元模型中節(jié)點數(shù)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(jié)構(gòu)響應(yīng).

4、建立了盾構(gòu)隧道的有限元模型后,對模型中的參數(shù)設(shè)置進行了試驗驗證.結(jié)合上海隧道工程股份有限公司施工技術(shù)研究所于1999年對雙圓盾構(gòu)隧道襯砌模型試驗及結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果,提出了混凝土襯砌結(jié)構(gòu)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(yīng)力場分布與變形進行了計算分析.結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)力和變形性質(zhì)的影響.通過研究發(fā)現(xiàn):雙圓盾構(gòu)隧道管片變形、內(nèi)力試驗結(jié)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(fù)興路盾構(gòu)隧道管片有限元模型建模方法和材料參數(shù)合理、可靠. 采用三維非線性有限元建模技術(shù)建立的盾構(gòu)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(gòu)隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的實質(zhì)是一個超大規(guī)模非線性系統(tǒng)的響應(yīng)計算問題,串行計算技術(shù)無法勝任此工作.而現(xiàn)有結(jié)構(gòu)動力學(xué)并行算法以各節(jié)點的自由度數(shù)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(jù)

6、盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)數(shù)值模擬的要求,以及結(jié)合上海超算中心曙光4000A計算機的體系結(jié)構(gòu)特點,對盾構(gòu)隧道進行合適的分區(qū),設(shè)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(yīng)用到雙圓盾構(gòu)隧道有限元模型和上海復(fù)興路盾構(gòu)隧道有限元模型上. 在上述前提工作的基礎(chǔ)上,對車流荷載作用下的上海復(fù)興路盾構(gòu)隧道進行了結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析.首先闡述了顯式非線性有限元計算方法及其關(guān)鍵技術(shù),其中包括顯式算法計算流程、時步控制、沙