[发明专利]一种面向沉管隧道抗震设计的三维精细化建模方法

权利要求书

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。