脉冲型地震动作用下隧道式锚碇动力响应的分析方法、系统与流程

本发明涉及悬浮桥，特别涉及脉冲型地震动作用下隧道式锚碇动力响应的分析方法、系统。

背景技术：

1、悬索桥是目前桥梁工程中应用较多的桥型之一，其通过以高强度抗拉钢丝制成的主缆作为主要承载结构，大大提高了自身的跨越能力。悬索桥主缆的锚固形式主要可以分为自锚式和地锚式。自锚式是将主缆直接锚固在加劲梁上；地锚式分为重力式锚碇和隧道式锚碇两种，重力式锚碇主要利用锚碇体自身重力克服主缆拉力；隧道式锚碇一般是通过在持力层岩层中开挖出一条底面大顶面小的隧道用以浇筑混凝土锚固主缆。隧道式锚碇在成型后与周围岩体一同承担主缆传递来的拉力，并且由于隧道式锚碇自身的夹持效应，相同造价条件下隧道式锚碇可以承担更大的主缆拉力。

2、近年来，越来越多的悬索桥工程采用了隧道式锚碇（简称隧道锚），例如金沙江大桥、重庆鹅公岩大桥、矮寨大桥、四渡河特大桥等等。但是目前隧道锚应用范围却并不广泛，主要原因是隧道锚对其建设范围内围岩的节理性和完整性要求较高，在软岩和具有不良夹层的岩体中使用隧道锚时其安全性无法得到保证，目前隧道锚的设计理论目前也还并不成熟。

3、现阶段对于隧道锚的研究，主要集中在隧道锚与周围岩体相互作用机理、隧道锚周围岩体破坏模式以及隧道锚的抗拔承载力方面，隧道锚是悬索桥主要持力结构之一，当其处在近断层区域时，需要考虑其抗震性能，但对于隧道锚承受地震作用的动力响应相关研究较少，目前对隧道锚承受地震作用的动力响应研究一般采用理论分析或是数值模拟，数值模拟最常采用，如：颜冠峰等（地震波作用下悬索桥隧道锚力学响应研究. 地下空间与工程学报，2019, 15(s2), 590-597）通过数值模拟分析发现，地震震级越高隧道锚力学响应就越强烈，隧道锚对于输入地震波的方向敏感，顺桥向输入水平地震动时隧道锚的位移大于横桥向输入水平地震动时隧道锚的位移。杨济舟（地震荷载作用下悬索桥隧道式锚碇边坡稳定性分析. 四川：西南交通大学）对泸定大渡河悬索桥隧道锚工程，采用三维数值模拟方法对隧道锚边坡在静力成桥状态、50年设计基准期超越概率10%、2%水平的地震作用下的稳定性进行了分析，结果表明，e1、e2地震作用下隧道锚整体结构未出现明显失稳。

4、根据上述的研究可以发现，现有隧道锚承受地震作用的动力响应研究集中在边坡整体的安全程度，且输入的地震形式为普通远场地震动，而脉冲型地震动通常会引起结构产生更大的变形，目前没有研究脉冲型地震动对隧道锚的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术缺少研究脉冲型地震动对隧道锚动力响应的方法的问题，提供脉冲型地震动作用下隧道式锚碇动力响应的分析方法、系统。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、脉冲型地震动作用下隧道式锚碇动力响应的分析方法，包括以下步骤：

4、步骤s1，构建隧道式锚碇结构模型和隧道式锚碇施工位置的地质模型，利用所述隧道式锚碇结构模型和所述地质模型建立隧道锚三维模拟模型；

5、步骤s2，确定对所述隧道锚三维模拟模型施加的荷载，荷载类型分为静力荷载和动力荷载，动力荷载为脉冲型地震动产生的荷载；并根据所述隧道锚三维模拟模型确定荷载施加方式和选取监测点；

6、步骤s3，将静力荷载施加于所述隧道锚三维模拟模型，然后施加脉冲型地震动于所述隧道锚三维模拟模型进行地震时程分析，得到监测点监测指标的响应情况。

7、在本发明的技术方案中，首先建立隧道式锚碇结构模型和地质模型，并在三维软件中建立隧道锚三维模拟模型，然后确定静力荷载和动力荷载，确定荷载施加方式和选取监测点；在进行模拟时先在隧道锚三维模拟模型上施加静力荷载，然后施加脉冲型地震动进行地震时程分析，得到监测点监测指标的响应情况，从而实现脉冲型地震动作用下隧道式锚碇的动力响应。

8、作为本发明的优选方案，所述隧道式锚碇结构模型的构建方法为：获取隧道式锚碇的设计方案，根据设计方案在三维软件中建立所述隧道式锚碇结构模型；所述地质模型的构建方法为：获取隧道式锚碇施工位置的地质参数，根据地质参数在三维软件中建立所述地质模型。

9、作为本发明的优选方案，所述隧道锚三维模拟模型采用四面体单元进行离散，在隧道式锚碇位置处对单元进行加密，将隧道式锚碇施工位置的岩体假设为弹性理想弹塑性材料，岩体采用摩尔库伦弹塑性本构模型进行计算，将锚塞体假设为线弹性材料。

10、作为本发明的优选方案，所述隧道式锚碇包括依次连接的鞍室、前锚室、锚塞体和后锚室，所述鞍室和所述前锚室是隧道式的中空结构，所述锚塞体为混凝土浇筑的实心体，所述隧道式锚碇通过锚钉与岩体固定。

11、作为本发明的更优选方案，监测点选取为：所述锚塞体前锚面的中心点和所述锚塞体后锚面的中心点。

12、作为本发明的优选方案，静力荷载包括岩体的自重应力场、锚塞体结构的自重、运营阶段锚塞体受到的设计缆力荷载；静力荷载的施加方式均布压应力作用于锚塞体的后锚面上，地震荷载的施加方式为施加在模型的底部。

13、作为本发明的优选方案，脉冲型地震动选取确定的方法为：采用小波包变换将速度时程分解为时频域中的一组小波包系数，然后使用平方小波包系数形成小波包谱，按降序对小波包谱中的所有平方小波包系数进行排序，保留平方小波包系数的前70%，同时将所有剩余小波包系数设置为零，利用处理后的小波包谱得到对应处理后的速度时程。通过这种处理，大部分高频内容从原始地震动记录中被去除，得到更为平滑的速度时程，并且可以很容易地从中识别出脉冲并确定脉冲开始时刻和脉冲结束时刻，利用得到的脉冲开始时刻和脉冲技术时刻，计算该时间段内的累计平方速度得到原始速度时程的相对速度脉冲能量，将该相对速度脉冲能量与脉冲阈值水平进行比较，确定原始地震动记录是否包含速度脉冲。对于包含速度脉冲的地震动记录，在其原始加速度时程中按照对应脉冲开始时刻和脉冲结束时刻截取局部加速度时程，对截断的加速度时程识别其所有零交叉点，计算累计平方加速度和两个相邻过零点之间的加速度脉冲能量，采用最大加速度脉冲能量作为识别加速度脉冲的指标。更进一步地，确定的脉冲型地震动为3条加速度脉冲及其残余地震动记录和3条非加速度脉冲及其残余地震动记录，加速度脉冲为rsn00223_livermor、rsn00285_italy、rsn03634_smart1-40，非加速度脉冲为rsn00178_impvall-h、rsn00900_landers、rsn01148_kocaeli地震动记录。

14、作为本发明的优选方案，步骤s3，在施加脉冲型地震动时，将脉冲型地震动的加速度时程进行积分得到其速度时程，再通过公式转换成对应的应力时程，然后将应力时程施加到所述隧道锚三维模拟模型上。

15、作为本发明的优选方案，步骤s3，地震时程分析过程中边界条件采用四周自由场边界，底部静态边界。

16、作为本发明的优选方案，监测指标包括监测点的位移、监测点的速度和监测点的加速度。

17、本发明的另一方法还提供了脉冲型地震动作用下隧道式锚碇动力响应的分析方法系统，所述系统包括：

18、第一模型模块，用于构建隧道式锚碇结构模型和隧道式锚碇施工位置的地质模型；

19、分析模型模块，用于利用所述隧道式锚碇结构模型和所述地质模型建立隧道锚三维模拟模型；

20、参数确定模块，用于确定对所述隧道锚三维模拟模型施加的荷载，荷载类型分为静力荷载和动力荷载，动力荷载为脉冲型地震动产生的荷载；并根据所述隧道锚三维模拟模型确定荷载施加方式和选取监测点；

21、模拟分析模块，用于将静力荷载施加于所述隧道锚三维模拟模型，然后施加脉冲型地震动于所述隧道锚三维模拟模型进行地震时程分析，得到监测点监测指标的响应情况。

22、本发明还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当所述电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行以实现上述脉冲型地震动作用下隧道式锚碇动力响应的分析方法。

23、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述脉冲型地震动作用下隧道式锚碇动力响应的分析方法。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果为

25、1、本发明采用三维有限元非线性计算分析，能够实现隧道式锚碇受脉冲型地震动作用下动力响应的模拟，得到监测点的位移速度和加速度，实现脉冲型地震动作用下动力响应的分析，能应用到悬索桥隧道锚抗震效果评估，为隧道锚的抗震设计提供相关依据。

26、2、本发明分析了在速度脉冲特征明显、加速度脉冲特征明显的地震动作用下隧道锚的位移、速度、加速度响应情况，同时计算分析隧道锚在去除脉冲后的地震动作用下的位移、速度、加速度响应，观察脉冲型地震动对隧道锚的影响，本发明的分析方法在实际工程设计中具备可行性，分析结果更具可靠性。