車(chē)流荷載作用下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及并行算法研究.pdf

1、隨著交通量不斷增加、車(chē)流運(yùn)行速度不斷提高、荷載幅度的加大,隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問(wèn)題曰益突出,對(duì)車(chē)流通過(guò)隧道時(shí)由于隧道振動(dòng)和變形導(dǎo)致應(yīng)力重分配而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)安全性、動(dòng)力承載力和使用可靠性等已稱(chēng)為人們廣泛關(guān)注的重要問(wèn)題.通過(guò)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車(chē)流作用下進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析,可直接計(jì)算得到隧道結(jié)構(gòu)在以不同速度、不同交通密度運(yùn)行的車(chē)流作用下的襯砌管片應(yīng)力、管片聯(lián)結(jié)螺栓應(yīng)力以及最大豎向加速度等等.這些動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果可直接用于隧道結(jié)構(gòu)特別是新型隧道的設(shè)計(jì).另一

2、方面,公路車(chē)輛在隧道類(lèi)地下結(jié)構(gòu)通過(guò)時(shí),會(huì)引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng),對(duì)隧道襯砌的安全性會(huì)產(chǎn)生影響. 運(yùn)行車(chē)流作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的研究涉及到結(jié)構(gòu)工程學(xué)、交通工程學(xué)、車(chē)輛動(dòng)力學(xué)等多個(gè)工程領(lǐng)域.要研究運(yùn)行車(chē)流作用下隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),就要對(duì)車(chē)流運(yùn)行過(guò)程中作用于路面的荷載進(jìn)行仿真計(jì)算.本文把交通工程學(xué)領(lǐng)域的微觀交通流模型引入到車(chē)輛動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)工程學(xué)領(lǐng)域,分別建立了基于跟馳模型和元胞自動(dòng)機(jī)模型的車(chē)流荷載數(shù)學(xué)模型.此外對(duì)路面不平整引起的車(chē)輛動(dòng)荷載進(jìn)行了

3、分析,車(chē)輛振動(dòng)模型分別采用四分之一車(chē)身結(jié)構(gòu)的兩自由度模型和步進(jìn)式懸架車(chē)輛振動(dòng)系統(tǒng),并進(jìn)行了比較分析. 在仿真得到隧道結(jié)構(gòu)上的車(chē)流荷載后,采用全三維非線性有限元建模方法,建立了上海復(fù)興路盾構(gòu)隧道總體有限元模型.整體有限元模型中節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)了400萬(wàn).有限元模型中考慮了土體的材料非線性特性,采用三維動(dòng)態(tài)接觸模型建立了管片的接頭模型、襯砌環(huán)與襯砌環(huán)之間以及襯砌管片與土體之間的邊界條件非線性問(wèn)題,能夠獲得更加接近真實(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng).

4、建立了盾構(gòu)隧道的有限元模型后,對(duì)模型中的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)合上海隧道工程股份有限公司施工技術(shù)研究所于1999年對(duì)雙圓盾構(gòu)隧道襯砌模型試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果,提出了混凝土襯砌結(jié)構(gòu)三維有限元計(jì)算模型,采用顯式算法對(duì)六點(diǎn)集中加載工況下混凝土襯砌環(huán)有限元模型的應(yīng)力場(chǎng)分布與變形進(jìn)行了計(jì)算分析.結(jié)構(gòu)應(yīng)用三維接觸模型和算法考慮了管片接頭的不連續(xù)性對(duì)襯砌應(yīng)力和變形性質(zhì)的影響.通過(guò)研究發(fā)現(xiàn):雙圓盾構(gòu)隧道管片變形、內(nèi)力試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算吻合較好,變化趨勢(shì)

5、與變化規(guī)律一致.最后兩者對(duì)比分析,上海復(fù)興路盾構(gòu)隧道管片有限元模型建模方法和材料參數(shù)合理、可靠. 采用三維非線性有限元建模技術(shù)建立的盾構(gòu)隧道總體有限元模型規(guī)模巨大,具有系統(tǒng)非線性特性,此外車(chē)流荷載作用是一種時(shí)間歷程.盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)超大規(guī)模非線性系統(tǒng)的響應(yīng)計(jì)算問(wèn)題,串行計(jì)算技術(shù)無(wú)法勝任此工作.而現(xiàn)有結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)并行算法以各節(jié)點(diǎn)的自由度數(shù)均衡為分區(qū)策略,沒(méi)有考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量可能不同,從而影響并行計(jì)算效率.本文根據(jù)

6、盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬的要求,以及結(jié)合上海超算中心曙光4000A計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行合適的分區(qū),設(shè)計(jì)合理的分區(qū)方法,提出了各節(jié)點(diǎn)計(jì)算量均衡的區(qū)域分解并行計(jì)算方法,并把該方法分別應(yīng)用到雙圓盾構(gòu)隧道有限元模型和上海復(fù)興路盾構(gòu)隧道有限元模型上. 在上述前提工作的基礎(chǔ)上,對(duì)車(chē)流荷載作用下的上海復(fù)興路盾構(gòu)隧道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析.首先闡述了顯式非線性有限元計(jì)算方法及其關(guān)鍵技術(shù),其中包括顯式算法計(jì)算流程、時(shí)步控制、沙