专利名称：一种面向沉管隧道抗震设计的三维精细化建模方法
技术领域：
本发明属于水下隧道工程领域，涉及可用于沉管隧道抗震设计的建模方法。
背景技术：
沉管法是20世纪初发展起来的一种修建水下隧道的新工法。由于其独特的优势， 近年来沉管法已成为水下隧道建设的首选工法。在沉管隧道的纵向抗震分析中，所建立的三维分析模型是否合适，涉及到计算的效率与结果的可靠性，因此合理的沉管隧道三维模型对抗震分析十分重要。以往用于沉管隧道抗震分析的模型多采用弹簧-质量模型，个别工程采用了全三维精细化模型。沉管隧道接头部位由于刚度小于管节，往往是隧道的薄弱部位，其受力、变形情况是工程中重点关注的部分，尤其是Gina止水带与剪切键等构造措施在地震作用下的性能直接影响隧道的安全性。Gina止水带是超弹性材料，为保证其水密性需满足最小压缩量的要求。地震作用下，随着接头的变形，压缩量有可能减小，导致止水失效。剪切键是接头部位的主要抗震构造，其受力与变形直接关系到隧道的抗震能力。以往用于沉管隧道抗震分析的模型多采用弹簧-质量模型，个别工程采用了全三维精细化模型。弹簧-质量模型虽然计算量小，但对接头的模拟较粗糙，抗拉压、抗弯、抗剪简单的各用一个弹簧模拟， 无法计算Gina止水带的真实压缩量与张开量，也无法分析剪切键的受力情况。该模型无法考虑施工中水力压接产生的管体滑移，以及由此产生的接头初始压缩量，这将导致后续抗震分析中无法精确计算接头的张开量等重要控制条件，同时该模型也无法计算地震作用下隧道与土体可能产生的滑动。因此，弹簧-质量模型不适用于接头部位的精确计算。全三维精细化模型虽然可以精确计算分析隧道接头部位的受力、变形与张开，但计算成本太高， 不适于世纪工程中的计算分析。
发明内容
针对现有弹簧-质量模型无法模拟沉管隧道水力压接的不足、现有弹簧-质量模型无法精确计算接头部位受力与张开量的不足、现有弹簧-质量模型无法模拟剪切键与 Gina止水带的不足以及全三维精细化模型计算成本过高的弊端，本发明的目的在于提供一种沉管隧道三维简化建模方法。为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括以下步骤步骤1，对沉管隧道进行结构分析，确定需建模部分；步骤2，定义该沉管隧道模型轴线上的节点；步骤3，定义该沉管隧道模型所需单元，包括用于模拟管节的梁单元、模拟Gina 止水带的非线性弹簧单元、用于模拟土体的弹簧与粘壶单元、用于模拟隧道与土体接触的滑动单元、用于模拟剪切键的弹簧单元等；步骤4，设定管节材料的弹性模量、泊松比，确定横断面尺寸，设置土弹簧、粘壶、剪切键、Gina止水带的参数；
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步骤5，定义模拟接头部位的节点与该管节端点之间的约束关系；步骤6，将上述各部件组装为沉管隧道模型，并用于计算分析。进一步，步骤1中包括确定其轴线的几何位置、隧道的埋深，周围土层的分布，取拟用沉埋管段法施工的隧道部分为建模范围。步骤2中节点包括三部分管节轴线上的节点、用于模拟土体行为的地基弹簧与粘壶的节点以及管节端部沿横断面周长的节点，管节轴线上节点的数量与表征管节的梁单元的几何尺寸有关。步骤3中所述单元包括用于模拟管节的梁单元、模拟Gina止水带的非线性弹簧单元、用于模拟土体的弹簧与粘壶单元、用于模拟隧道与土体接触的滑动单元、用于模拟剪切键的弹簧单元。步骤4中包括设定管节材料的弹性模量、泊松比，确定横断面尺寸，设置土弹簧、 粘壶、剪切键、Gina止水带的参数。步骤5中将沿接头周长方向的节点与该管节端部节点设置为刚体约束，保持这些节点不产生相对位移。更进一步，一种用于沉管隧道抗震设计的建模方法，包括步骤1，对拟设计的隧道结构进行结构分析，包括确定其轴线的几何位置、隧道的埋深，周围土层的分布，取拟用沉埋管段法施工的隧道部分为建模范围，该沉管隧道模型包括管节、地基弹簧、粘壶、滑动单元、Gina止水带、剪切键；步骤2，定义该沉管隧道模型的控制节点。控制节点包括三部分管节轴线上的节点、用于模拟土体行为的地基弹簧与粘壶的节点以及管节端部沿横断面周长的节点。管节轴线上节点的数量与表征管节的梁单元的几何尺寸有关；步骤3，定义用于模拟该沉管隧道的单元；1)管节的模拟在步骤2所定义的沉管隧道管节轴线节点的基础上将管节离散为三维线性梁单元，即以每个管节轴线上相邻两节点为单元的端点定义三维线性梁单元；2)管节接头的模拟a)Gina止水带的模拟用若干非线性弹簧单元模拟Gina止水带的作用，在步骤2中已设置各管节端部沿横断面周长的节点，以接头两侧管节端部沿横断面周长的对应节点为单元端点，将每对节点之间定义为非线性弹簧单元；b)剪切键的模拟根据各剪切键在接头的实际布置位置，找出接头两侧管节端面沿周长的节点的对应节点，以每对对应节点为单元端点定义Cartesian连接单元；若该单元用于模拟水平剪切键则在该单元中应定义水平方向的剪切键刚度；若为竖直剪切键则定义相应的竖直剪切键刚度；若拟设计的隧道在接头横断面中部亦有数值剪切键，则同样采用此方法根据具体几何位置设置剪切键的节点并在对应节点之间定义笛卡尔连接单元；3) 土体的模拟以步骤2中定义的模拟土体行为的单元的节点为端点，在空间三个方向分别定义并联的弹簧单元与粘壶单元，以此模拟土体的行为；4) 土体-隧道相互作用的模拟以管节轴线上节点及与其位置对应的模拟土体行为的单元之靠近管节侧的节点为单元端点定义Cartesian & Cardan连接单元，除沿隧道水平纵向的自由度外，其余自由度均设置为刚性，在水平纵向设置适当的土体-隧道的摩擦系数，法向力的方向定义为竖直方向，该单元允许管节在水力压接及地震作用下产生可能的纵向滑动；
步骤4，定义材料性质、界面属性；1)设置关节材料的弹性模量、泊松比等材料常数；2)通过计算确定管节横断面的面积、对形心轴的惯性矩、惯性积、扭转常数以及剪切中心位置等参数；3)采用适当的理论计算确定用于模拟土体行为的弹簧-粘壶并联单元中弹簧及粘壶各自的系数；4)确定Gina材料的力-压缩量非线性关系曲线；步骤5，定义约束关系将沿接头周长方向的节点(包括各剪切键对应节点)与该关节端部节点设置为刚体约束，保持这些节点无相对位移；所述沿接头周长方向的节点包括各剪切键对应节点；步骤6，将上述各部件组装为沉管隧道模型，并用于计算分析。本发明弥补了上述两模型的不足，能够模拟沉管隧道施工时水力压接产生的接头初始压缩，精确计算接头的受力与张开量。该发明中接头Gina止水带模拟为沿实际周长布置的若干弹簧，剪切键模拟为相应位置的弹簧，实现了对接头部位的精细化计算。本发明既充分考虑了分析的精度要求，又满足了计算效率方面的要求，具有很好的工程实用性。
图1为本发明实例的沉管隧道抗震设计的三维精细化建模方法流程图。图2为本发明实例用于沉管隧道抗震设计模型的三维视图。图3为沉管隧道管节接头模型的三维视图。附图中标号说明1-沉管隧道管节；2-地基弹簧；3-粘壶；4-滑动单元；5-剪切键；6-Gina止水带； 7-接头左侧管节；8-接头右侧管节；9-左侧管节右端点；10-右侧管节左端点；11-剪切键左侧节点；12-剪切键右侧节点；13-刚性连接
具体实施例方式以下结合附图和实施例，以通用有限元软件ABAQUS为基础，对本发明的具体实施方式
做进一步详细描述。步骤1，对拟设计的隧道结构进行结构分析，包括确定其轴线的几何位置、隧道的埋深，周围土层的分布等。取拟用沉埋管段法施工的隧道部分为建模范围。如图1所示，该沉管隧道模型包括管节1、地基弹簧2、粘壶3、滑动单元4、剪切键 5、Gina止水带6等部分。步骤2，如图1所示定义该沉管隧道模型的控制节点。控制节点包括三部分管节轴线上的节点、用于模拟土体行为的地基弹簧与粘壶的节点以及管节端部沿横断面周长的节点。管节轴线上节点的数量与表征管节的梁单元的几何尺寸有关，这取决于分析精度与管节长度，同时还要考虑计算成本。一般说来，节点数量越多精度越高，但计算成本越高。 每隔五米取一个节点，能够较好的平衡计算精度与计算成本。。本实施例中每根管节长度为 180米，划分为32个梁单元，因此每个管节轴线上设置了 33个节点。用于模拟土体行为的地基弹簧与粘壶的节点可由各管节轴线上的节点在空间平移得到。管节端部沿横断面周长可每隔一段距离设置一个节点，本实施例中每米设置一个节点。步骤3，定义用于模拟该沉管隧道的单元；1)管节的模拟如图1所示，在步骤2所定义的沉管隧道管节轴线节点的基础上将管节离散为三维线性梁单元，即以每个管节轴线上相邻两节点为单元的端点定义三维线性梁单元；2)管节接头的模拟a)Gina止水带的模拟用若干非线性弹簧单元模拟Gina止水带的作用。如图1、2所示，在步骤2中已设置各管节端部沿横断面周长的节点，以接头两侧管节端部沿横断面周长的对应节点为单元端点，将每对节点之间定义为非线性弹簧单元；b)剪切键的模拟如图2所示，剪切键是接头部位除Gina止水带外的另一主要构件。根据各剪切键在接头的实际布置位置，找出接头两侧管节端面沿周长的节点的对应节点，以每对对应节点为单元端点定义Cartesian (笛卡尔单元)连接单元。如果该单元用于模拟水平剪切键则在该单元中应定义水平方向的剪切键刚度；如为竖直剪切键则定义相应的竖直剪切键刚度。如拟设计的隧道在接头横断面中部亦有数值剪切键，则同样采用此方法根据具体几何位置设置剪切键的节点并在对应节点之间定义笛卡尔连接单元。3) 土体的模拟如图1所示，以步骤2中定义的模拟土体行为的单元的节点为端点，在空间三个方向分别定义并联的弹簧单元与粘壶单元，以此模拟土体的行为；4) 土体-隧道相互作用的模拟如图1所示，以管节轴线上节点及与其位置对应的模拟土体行为的单元之靠近管节侧的节点为单元端点定义Cartesian & Cardan(笛卡尔单元和万向接头单元)连接单元。除沿隧道水平纵向的自由度外，其余自由度均设置为刚性。在水平纵向设置适当的土体-隧道的摩擦系数，法向力的方向定义为竖直方向。该单元允许管节在水力压接及地震作用下产生可能的纵向滑动；步骤4，定义材料性质、界面属性等；1)设置关节材料的弹性模量、泊松比等材料常数；2)通过计算确定管节横断面的面积、对形心轴的惯性矩、惯性积、扭转常数以及剪切中心位置等参数。3)采用适当的理论计算确定用于模拟土体行为的弹簧-粘壶并联单元中弹簧及粘壶各自的系数；4)确定Gina材料的力-压缩量非线性关系曲线；步骤5，定义约束关系将沿接头周长方向的节点与该管节端部节点设置为刚体约束(如有中部竖直剪切键则应包括该剪切键的对应端点)，保持这些节点不产生相对位移；步骤6，将上述各部件组装为沉管隧道模型，并用于计算分析。上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种用于沉管隧道抗震设计的建模方法，其特征在于包括 步骤1，对沉管隧道进行结构分析，确定需建模部分；步骤2，定义该沉管隧道模型轴线上的节点； 步骤3，定义该沉管隧道模型所需单元； 步骤4，定义材料性质、界面属性；步骤5，定义模拟接头部位的节点与该管节端点之间的约束关系； 步骤6，将上述各部件组装为沉管隧道模型，并用于计算分析。
2.根据权利要求1所述的用于沉管隧道抗震设计的建模方法，其特征在于步骤1中包括确定其轴线的几何位置、隧道的埋深，周围土层的分布，取拟用沉埋管段法施工的隧道部分为建模范围。
3.根据权利要求1所述的用于沉管隧道抗震设计的建模方法，其特征在于步骤2中节点包括三部分管节轴线上的节点、用于模拟土体行为的地基弹簧与粘壶的节点以及管节端部沿横断面周长的节点，管节轴线上节点的数量与表征管节的梁单元的几何尺寸有关。
4.根据权利要求1所述的用于沉管隧道抗震设计的建模方法，其特征在于步骤3中所述单元包括用于模拟管节的梁单元、模拟Gina止水带的非线性弹簧单元、用于模拟土体的弹簧与粘壶单元、用于模拟隧道与土体接触的滑动单元、用于模拟剪切键的弹簧单元。
5.根据权利要求1所述的用于沉管隧道抗震设计的建模方法，其特征在于步骤4中包括设定管节材料的弹性模量、泊松比，确定横断面尺寸，设置土弹簧、粘壶、剪切键、Gina 止水带的参数。
6.根据权利要求1所述的用于沉管隧道抗震设计的建模方法，其特征在于步骤5中 将沿接头周长方向的节点与该管节端部节点设置为刚体约束，保持这些节点不产生相对位移。
7.根据权利要求1所述的用于沉管隧道抗震设计的建模方法，其特征在于包括 步骤1，对拟设计的隧道结构进行结构分析，包括确定其轴线的几何位置、隧道的埋深，周围土层的分布，取拟用沉埋管段法施工的隧道部分为建模范围，该沉管隧道模型包括管节、地基弹簧、粘壶、滑动单元、Gina止水带、剪切键；步骤2，定义该沉管隧道模型的控制节点。控制节点包括三部分管节轴线上的节点、 用于模拟土体行为的地基弹簧与粘壶的节点以及管节端部沿横断面周长的节点。管节轴线上节点的数量与表征管节的梁单元的几何尺寸有关； 步骤3，定义用于模拟该沉管隧道的单元；1)管节的模拟在步骤2所定义的沉管隧道管节轴线节点的基础上将管节离散为三维线性梁单元，即以每个管节轴线上相邻两节点为单元的端点定义三维线性梁单元；2)管节接头的模拟a)Gina止水带的模拟用若干非线性弹簧单元模拟Gina止水带的作用，在步骤2中已设置各管节端部沿横断面周长的节点，以接头两侧管节端部沿横断面周长的对应节点为单元端点，将每对节点之间定义为非线性弹簧单元；b)剪切键的模拟根据各剪切键在接头的实际布置位置，找出接头两侧管节端面沿周长的节点的对应节点，以每对对应节点为单元端点定义Cartesian连接单元；若该单元用于模拟水平剪切键则在该单元中应定义水平方向的剪切键刚度；若为竖直剪切键则定义相应的竖直剪切键刚度；若拟设计的隧道在接头横断面中部亦有数值剪切键，则同样采用此方法根据具体几何位置设置剪切键的节点并在对应节点之间定义笛卡尔连接单元；3)土体的模拟以步骤2中定义的模拟土体行为的单元的节点为端点，在空间三个方向分别定义并联的弹簧单元与粘壶单元，以此模拟土体的行为；4)土体-隧道相互作用的模拟以管节轴线上节点及与其位置对应的模拟土体行为的单元之靠近管节侧的节点为单元端点定义Cartesian & Cardan连接单元，除沿隧道水平纵向的自由度外，其余自由度均设置为刚性，在水平纵向设置适当的土体-隧道的摩擦系数， 法向力的方向定义为竖直方向，该单元允许管节在水力压接及地震作用下产生可能的纵向滑动；步骤4，定义材料性质、界面属性；1)设置关节材料的弹性模量、泊松比等材料常数；2)通过计算确定管节横断面的面积、对形心轴的惯性矩、惯性积、扭转常数以及剪切中心位置等参数；3)采用适当的理论计算确定用于模拟土体行为的弹簧-粘壶并联单元中弹簧及粘壶各自的系数；4)确定Gina材料的力-压缩量非线性关系曲线；步骤5，定义约束关系将沿接头周长方向的节点(包括各剪切键对应节点)与该关节端部节点设置为刚体约束，保持这些节点无相对位移；所述沿接头周长方向的节点包括各剪切键对应节点；步骤6，将上述各部件组装为沉管隧道模型，并用于计算分析。
全文摘要
一种沉管隧道三维简化建模方法，包括对沉管隧道进行结构分析，确定需建模部分；定义该沉管隧道模型轴线上的节点；定义该沉管隧道模型所需单元；定义材料性质、界面属性；定义模拟接头部位的节点与该管节端点之间的约束关系；将上述各部件组装为沉管隧道模型，并用于计算分析。本发明能够模拟沉管隧道施工时水力压接产生的接头初始压缩，精确计算接头的受力与张开量，实现了对接头部位的精细化计算。本发明既充分考虑了分析的精度要求，又满足了计算效率方面的要求，具有很好的工程实用性。
文档编号E02D29/073GK102561395SQ201210055548
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者付佰勇, 刘洪洲, 徐国平, 李毅, 李贞新, 沈昊, 袁勇, 陈之毅 申请人:中交公路规划设计院有限公司, 同济大学