[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

说明书

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；

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；