港珠澳跨海工程沉管隧道三维地震反应分析

以港珠澳大桥沉管隧道为工程研究背景,考虑管节接头GINA止水带的橡胶材料特性、场地的初始地应力平衡以及上覆动水压力作用等,分析了水平及竖向地震作用下沉管隧道三维动力反应。结果表明:动水压力对隧道结构的竖向及水平方向的动力响应均有一定影响,尤其是对隧道结构的竖向反应影响较水平方向更加明显,最大可达70%;隧道接头GINA止水带竖向剪切变形较水平纵向的拉伸变形及水平横向剪切变形明显偏大,尤其两侧止水带竖向剪切变形较大;混凝土隧道管节上顶板及边墙较管节底部更易受到明显的拉应力。     

沉管隧道穿越纵向非均匀场地振动台试验研究

为了研究穿越纵向非均匀场地的沉管隧道地震反应规律,进行了沉管隧道穿越砂土-黏土场地和均匀砂土场地两种工况的振动台试验。沉管隧道模型材料主要为微粒混凝土和镀锌钢丝,接头材料为橡胶,模型缩尺比为1/30,采用层叠剪切箱装填黏土和砂土构成纵向非均匀场地,输入荷载为不同峰值的El Centro波和Kobe波。采集土层和隧道不同观测点处的加速度和应变等数据并进行分析,研究在不同性质土层中的沉管隧道地震反应的特点,分析纵向非均匀场地对于沉管隧道地震反应的影响。试验结果表明砂土和黏土不同的动力特性会导致沉管隧道地震反应各异:穿越非均匀场地沉管隧道加速度反应、应变反应和管节间相对位移反应明显异于均匀场地沉管隧道,且在输入不同峰值的地震波下呈现不同规律。试验结果可供沉管隧道抗震设计参考。     

Static-dynamic Response Analysis of Upright Wing Wall and Drainage Immersed Tube Cross System of NPP Considering SSI Effect

某核电厂的联合泵房两侧直立翼墙以及排水沉管为交叉设计,且属抗震I类物项,因此,考虑土-交叉体系结构动力相互作用是抗震安全性评价的关键技术问题。以实际核电厂条件为背景,基于ANSYS分析平台建立了翼墙-沉管交叉体系-地基静动力分析模型,运用UPFs创建的粘弹性边界单元考虑无限地基辐射阻尼影响及地震动的输入,并精细化模拟地基材料的力学特性及交叉体系的空间分布形态,开展了静动力荷载联合作用下翼墙-沉管交叉体系的响应分析,探究交叉体系结构的应力、变形及加速度峰值等响应的变化规律。计算结果表明:直立翼墙与排水沉管交叉部位出现了应力集中现象,翼墙结构的竖向加速度响应与竖向及顺沉管水平向位移变形有较大变化,沉管在交叉部位的响应也有显著增加。研究成果可为核电厂取水工程构筑物的类似交叉体系设计提供技术参考。     

地震SV波斜入射下沉管隧道的地震响应分析

在ABAQUS黏弹性人工边界时域波动方法的基础上,首先运用等效应力输入方法实现地震SV波倾斜入射,半空间算例验证该方法具有较好的计算精度,进而基于所建立的斜入射方法研究地震波斜入射对海河沉管隧道地震响应的影响。计算结果表明:SV波斜入射情况下,沉管隧道的地震响应规律与垂直入射时具有明显差异;随入射角增加,沉管隧道结构应力增大,应力较大点出现在沉管隧道的四个角点及隔墙与底板、顶板的连接处,其中中隔墙为最薄弱点;随入射角增加,侧墙和隔墙的相对最大水平位移增大,其中中隔墙位移最大;随入射角增加,沉管隧道结构竖向加速度峰值明显增大。因此在沉管隧道结构抗震设计中应考虑地震波斜入射的影响。     

某海底沉管隧道风塔及下部结构抗震性能分析

为研究某海底隧道风塔及下部结构体系在塑性阶段的损伤破坏形态及特点,探讨在多重荷载作用下弹塑性静动力响应对结构的影响,建立了沉管隧道风塔及下部结构的大型三维有限元模型。采用基于能量原理的混凝土塑性及损伤本构模型,借助大型有限元软件ANSYS及ABAQUS分别对结构进行不同地震条件下的动力时程分析,对比分析振型、层间位移角及较为完整的塑性损伤破坏系数曲线。结果表明:不同设防地震下,结构整体性良好,振型及层间位移角满足规范要求;不同罕遇地震下,该结构的混凝土塑性拉压损伤最大时刻均发生在20 s,主要破坏区域在风塔与人防井及下部立柱的接触位置,且拉伸破坏系数明显高于压缩破坏。本文的研究成果可以为类似近海沉管隧道工程抗震设计提供一定的依据与指导。     

基于断面突变的地铁隧道结构的抗震性能与措施研究

本文依托西安地铁5号线某区间工程,针对矿山法隧道与盾构法隧道接口处断面突变条件下的结构抗震性能进行了研究,研究表明,在地震作用下,当两者接口处隧道断面高差为3.5m时,隧道横向强度与变形、纵向抗拉与抗压均能满足规范要求。随着隧道断面高差的增大,结构变形也相应增大,接口处为结构抗震薄弱环节。当接口处矿山法隧道断面增大时,地表位移及盾构法隧道拱顶、拱底的相对位移差略有增大,而矿山法隧道拱顶、拱底相对位移增长趋势较为明显。当接口处隧道断面高差介于4—7.5m时,矿山法隧道拱顶、拱底相对位移明显增大,不利于结构抗震。因此为确保地震作用下不同断面隧道相接处的结构抗震满足要求,建议断面高差控制在4.0m以内,可将矿山法隧道设计成刚柔结合的复合式衬砌结构,同时可考虑加固地层、设置变形缝或柔性接缝,并在条件允许时适当减少衬砌结构厚度等。研究结论可为类似工程的设计与施工提供理论支撑。     

地震作用下海底沉管隧道的动力响应分析

基于黏弹性人工边界理论,将地震动的输入转化为作用于人工边界的等效荷载来实现波动的输入,利用有限元软件ADINA建立了海水-沉管隧道-海床的整体分析模型,在模型的海水与海床的交界面处设置流固耦合边界来考虑海水与海床的流固耦合动力反应,分析了地震P波垂直入射作用下,海水深度、沉管隧道的埋置深度和海床土的弹性模量对沉管隧道结构地震反应的影响。结果表明:地震P波垂直入射作用下,海水深度和埋置深度对沉管隧道结构水平向与竖向的动力响应影响明显,而海床土弹性模量则影响不大。本文的分析结果可以对沉管隧道结构抗震设计方面提供参考依据。     

地震动非一致性对隧道动力响应的影响分析

针对隧道的抗震安全性,借助有限元软件平台对其地震时程响应进行非线性有限元分析。利用弹性模型考虑混凝土隧道在循环荷载作用下的拉、压应力-应变关系,同时对土体采用MohrCoulomb模型,选用人工边界作为边界条件,以人工合成的多点地震加速度时程作为地震动输入,分别考虑一致输入、行波效应、相干效应及行波加相干效应对隧道的影响。分析结果表明,与一致激励的计算结果相比,非一致地震激励会显著增加隧道结构的内力和位移响应,从而对隧道抗震产生不利影响。研究结论可为长隧道结构的抗震设计和分析提供科学依据。     

基于远程实时监测的高烈度区沉管隧道施工可视化系统[

沉管隧道管节的浮运、沉放及对接等是整个沉管隧道施工中的重中之重,这几个工序主要集中在水下进行,当前施工技术难以全面控制施工过程及其对接精度等,研究沉管隧道施工的可视化监测系统,对辅助现场精确测量、潜水作业以及指导安全管理施工具有重要的意义。针对沉管隧道施工工艺的特殊性,基于VTK的可视化和数据模型驱动等关键技术,采用并集成GPS测点坐标系统的构建与精确转换、PSM配置,设计和开发了一种沉管隧道施工三维实时可视化远程监测系统,可以实时显示和查询施工过程中管节浮运、沉放的具体情况,实现沉管隧道实时可视化,并将该系统成功地应用于天津市海河沉管隧道工程的施工中。     

基于远程实时监测的高烈度区沉管隧道施工可视化系统[

沉管隧道管节的浮运、沉放及对接等是整个沉管隧道施工中的重中之重,这几个工序主要集中在水下进行,当前施工技术难以全面控制施工过程及其对接精度等,研究沉管隧道施工的可视化监测系统,对辅助现场精确测量、潜水作业以及指导安全管理施工具有重要的意义。针对沉管隧道施工工艺的特殊性,基于VTK的可视化和数据模型驱动等关键技术,采用并集成GPS测点坐标系统的构建与精确转换、PSM配置,设计和开发了一种沉管隧道施工三维实时可视化远程监测系统,可以实时显示和查询施工过程中管节浮运、沉放的具体情况,实现沉管隧道实时可视化,并将该系统成功地应用于天津市海河沉管隧道工程的施工中。     

沉管隧道抗震研究

以南京长江沉管隧道为例，利用动力有限元法对沉管隧道进行抗震分析；对埋深、地质条件、水等因素对沉管隧道地震反应的影响进行分析，并从中得出了一些有益结沧，供有关人员进行抗震设计和抗震分析参考。     

地下综合管廊土-结构接触面参数对地震动力响应的影响数值分析

为研究土-结构接触面参数对地下综合管廊地震动力响应特征的影响,建立动力有限元数值模型,模型边界采用激励侧固定边界、远离激励侧黏性边界、其余侧自由场边界的优化组合动力边界,土体本构采用HSS模型,接触面采用改进Goodman单元,动力荷载考虑三种情况(Rayleigh波的作用、底部激励了美国加利福尼亚Upland地震波以及前两者的共同作用),分别研究不同地震动输入、接触面折减系数的改变对综合管廊内力及加速度的影响。研究结果表明:在相同的折减系数条件下,与静力作用相比,动力作用下的结构内力明显增大,综合管廊设计时应考虑地震荷载作用下内力增大的情况;随着界面折减系数的增加,正弯矩极值减小,负弯矩极值增大,加速度峰值增大;在相同接触面折减系数条件下,底部地震波输入产生的结构内力极值显著高于仅有Rayleigh波输入的情况;考虑Rayleigh波和地震波共同作用条件下,引起的管廊结构内力极值与仅考虑底部地震波输入时的结构内力极值差异不大。研究成果可供地下综合管廊结构地震响应精细化数值模拟及抗震设计参考。     

库水模型及库水深度对拱坝动力响应的影响

基于接触非线性有限元模型,以锦屏一级拱坝为例,库水分别采用附加质量模型、可压缩流体有限元模型、不可压缩流体有限元模型计算了正常蓄水位及运行低水位时坝体的动力响应,结果表明:库水模型对拱坝动力响应有较大影响,随库水深度的增大,各模型计算结果差异增大;相比于流体可压缩模型,采用不可压缩流体模型所得动力响应普遍偏大;运行低水位工况,由于静水压力减小导致拱效应减弱,从而降低了拱坝的整体性,因此运行低水位工况各缝开度普遍高于正常蓄水位工况,且其拉应力范围较大,因此,运行低水位工况将对抗震设计起控制作用。     

高烈度区公路隧道横通道地震响应分析

双洞隧道主隧道与横通道交接部位是隧道抗震中的薄弱位置,以穿越高烈度区隧道为背景,采用MIDAS GTS-NX有限元分析软件,对在汶川地震动作用下的公路隧道横通道进行地震响应分析。在X方向和Y方向地震动荷载的共同作用下,通过对围岩和衬砌的计算结果研究,得出以下结论:隧道整体的最大相对位移主要发生在主隧道与横通道拱顶和连接处;衬砌相对位移随埋深增加而减小;隧道产生的横向变形更大;横通道边墙位置更容易受到剪切破坏,主隧道与横通道连接处拱脚的弯矩、剪力、最大主应力和最大剪应力最大,应重点采取设防措施。     

Linear and nonlinear response of concrete slab on CFR dam during earthquake

The joint between concrete slab and rockfill is designed as welded contact in the classical modeling of concrete-faced rockfill (CFR) dams and earthquake response of the CFR dams is determined by this method. In this study, linear and nonlinear response of Torul CFR Dam including interface element between concrete slab and rockfill were investigated for the duration of strong seismic excitation. The finite element analyses were performed by employing both cases, empty and full reservoir, to research the effect of the reservoir water on the earthquake response of the dam. The reservoir water was modeled with fluid finite elements by the Lagrangian approach. The Drucker-Prager model was used in nonlinear analyses for concrete slab, rockfill and soil materials. According to finite element analyses, displacement and stress components were increased by hydrodynamic pressure. The nonlinear response of the concrete slab was monitored about the peak ground acceleration (pga). This study reveals that the size of sliding zone increases with increasing acceleration amplitudes.     

Approximate evaluation of stresses in degraded tunnel linings

This paper uses numerical and analytical methods to examine the static and seismic response of tunnels with intact and degraded segmental concrete tunnel liners. Concrete degradation is simulated using a non-linear finite element (FE) model that accounts for soil-structure interaction and the non-linear stress–strain response of the soil and concrete. The non-linear FE model is used to calculate radial stresses in tunnel linings with local concrete delaminations and that are subject to both static and seismic loads. Then, the FE results are compared with an analytical solution for jointed tunnel linings in order to assess the accuracy of the solution for predicting stresses in degraded liners. The analyses and results presented in this paper illustrate a simple method for estimating and evaluating the effect of concrete degradation on the distribution of thrust and moment in segmental tunnel linings subject to either static or seismic loads.     

Seismic response of shallow circular tunnels in two-layered ground

The effect of ground stratification on the seismic response of circular tunnels is investigated, as most practice-oriented studies consider homogeneous ground. A finite element plain-strain model of a circular tunnel cross-section embedded in a two-layered ground is used to highlight the influence of stratification on the tunnel׳s seismic response. The layers interface was placed at the crown, centre and invert level.It is proved that ground stratification has an important role in the lining seismic forces. When the tunnel is fully embedded in one of the layers, the seismic lining forces may vary significantly in comparison with the single-layer case. If the tunnel intercepts both layers, maximum lining forces aggravation occurs when the lower layer is very stiff.     

基于流固耦合动力模型的饱和土体-隧道体系地震反应研究

基于ABAQUS软件平台,应用自行开发的流固耦合动力模型孔压单元模拟场地土体,并通过黏弹性人工边界方法实现地震动的输入,对饱和土体场地中的双孔隧道结构在地震荷载作用下的动力反应进行研究。计算结果表明:在地震反应结束时刻,场地土体位移幅值在两隧道之间以及两隧道的附近区域较大,而远离隧道的区域则较小;场地底部区域土体的孔压幅值较大,而场地顶部区域土体则较小;隧道左右两侧拱腰部位的衬砌的应力较大,而拱顶部位则较小。计算结果同时表明了流固耦合动力模型孔压单元在饱和土体-隧道体系地震反应研究中的适用性。     

Effect of interface friction on tunnel liner internal forces due to seismic S- and P-wave propagation

The effects on the hoop force and bending moment developed in the lining of a circular tunnel of the contact properties of the soil-lining interface are investigated numerically for both cases of S- and P-seismic wave propagation. Development of a robust model for the dynamic simulation of this problem includes: (i) the implementation of a hysteretic model of the non-linear soil response under cyclic loads in the finite element code ABAQUS; and (ii) validation of the analyses results against centrifuge tests from the literature and closed-from elasticity solutions. Accordingly, a parametric study is conducted to quantify the effect of adopting different values of the friction coefficient of the tunnel liner interface, while assuming that the relaxation load is transferred only to the temporary support shell of the tunnel; a hypothesis applicable mainly to tunnels constructed with the NATM method where an unreinforced concrete final lining is usually installed. Practical findings of this study suggest that the full-slip assumption should be used in conjunction with closed-form expressions for preliminary estimates of the tunnel response. On the contrary, for tunnels where the lining is designed to bear the soil loads, numerical tools should be used for the rational assessment of their seismic response. In the latter case, more experimental studies are needed to evaluate the friction properties at the interface, since common expressions correlating the friction coefficient with the friction angle of the surrounding soil do not appear compatible with the centrifuge test results examined herein.