沉管隧道运维期回淤影响下的长期沉降模型

当下跨海集群工程建设过程中绝大部分均采用了沉管隧道的通过方式，如港珠澳大桥和深中通道工程等，随着陆续完成，运维期的长期沉降规律逐步成为研究重点。在对管节接头沉降计算中，多采用Winkler地基上的Euler梁模型，而忽略了柔性管节的剪切变形和地基土体的连续性，没有考虑管-土相互作用引起的沉管位移，与实际结果偏差较大。考虑沉管隧道运维期受到长期回淤清淤荷载的影响，基于柔性沉管隧道的受力变形特征，将沉管隧道管节等效为置于Vlasov双参数地基上的Timoshenko梁，考虑了地基土体的连续性，强化了土体的刚度，同时考虑了管节截面的弯曲变形和剪切变形，即将管节变形视为位错变形模式，并以此推导了其竖向变形计算公式，与Winkler地基上的Euler梁模型和Timoshenko梁模型进行比较，以验证所提出的计算方法的合理性。以甬江沉管隧道工程为例，分析在运维期回淤荷载影响下的沉管隧道管节接头竖向位移规律，将基于上述模型的理论计算结果与实测结果对比分析表明：提出的基于Vlasov双参数地基的Timoshenko梁模型更为合理，计算结果与实测数据更吻合。回淤荷载引起的管节接头沉降伴随时间呈指数型变化...     

港珠澳大桥沉管隧道沉降分析研究

以港珠澳沉管隧道设计方案和地勘资料为基础,根据地基沉降理论,结合FLAC有限差分计算软件对港珠澳沉管隧道基础沉降进行分析研究,提出了有效的解决方案,从而保证隧道安全运营。     

P波入射下考虑基槽回填材料的沉管隧道抗震分析

沉管隧道基槽回填是沉管隧道施工中的重要工序，而其对沉管隧道的抗震减震性能影响规律在现有研究中鲜有提及。为探究沉管隧道柔性接头在不同回填材料刚度下的位移量，基于多质点-弹簧-梁模型，结合纵向反应位移法，运用考虑纵向限位装置的柔性接头轴向受力分析模型，以广州市如意坊沉管隧道为背景，开展P波入射下的纵向动力响应分析数值试验。计算结果表明：数值模型与计算方法能够得到合理的场地与结构响应；采用纵向反应位移法进行计算分析时应提取自由场中隧道截面对应位置处的多点位移时程作为结构的激励；未经处理的淤泥质软黏土不能作为基槽回填材料，将砂土或砾石作为基槽回填材料时，若增大其密实度，其抗震能力可获得进一步提高。该研究结果可为沉管隧道在地震作用下的响应分析与抗震设计提供更为可靠完善的计算模型与设计依据。     

基于Timoshenko梁理论的车辆荷载下沉管隧道振动预测

考虑车辆荷载影响,将沉管隧道管节等效为置于黏弹性地基上的Timoshenko梁,改进传统柔性接头等效模型,考虑接头阻尼作用,建立沉管隧道管节动力响应计算模型。依据Timoshenko梁理论,推导管节竖向振动微分方程,采用数值方法对管节位移响应进行求解。依托宁波甬江沉管隧道工程,分析车辆荷载下沉管隧道管节中点和端部的竖向位移响应情况,计算接头两端最大竖向位移差,并进行单因素影响分析。研究结果表明:江中段管节竖向位移较岸边段大,管节中点竖向位移较管节端部大,最大竖向位移达到3.7 mm;各接头参数相同的情况下,岸边接头的竖向位移差较中间接头大,最大竖向位移差达到1 mm;地基分布弹簧系数、接头刚度和车速对管节竖向位移幅值影响较大,而在安全车距范围内,车流密度对管节竖向位移幅值影响不大。     

港珠澳大桥沉管隧道长大管节水动力性能试验研究

港珠澳大桥建设遇到颇多的挑战,其中6km长的海底沉管隧道是整个工程完成的关键控制节点之一,沉管管节的沉放等待、沉放过程中的水动力及运动响应是施工中必须认真考虑的。基于相似理论和相对运动概念,在拖曳水池完成沉管管节系列水动力学试验,得到沉管管节在不同风浪流载荷组合作用下的管节受力,可为港珠澳大桥海底沉管隧道的施工提供指导和建议。     

考虑地震动空间变异性的沉管隧道纵向动力响应分析

近年来研究表明,地震动空间变异性对于长大结构的地震响应具有很大的影响。本文通过动力时程分析法,以港珠澳沉管隧道为背景,研究了行波效应以及相干效应对沉管隧道纵向动力响应的影响。研究发现,考虑地震动空间变异性将会导致沉管隧道在地震作用下的轴力、弯矩以及GINA止水带的变形量有很大的增加。此外,考虑行波效应时,采用不同的行波波速会对沉管隧道的地震响应造成一定的影响,随着行波波速的增大,沉管隧道的动力响应先增大后减小。在考虑相干效应时,采用的相干模型的相干性强弱会对结果有很大的影响,相干性越弱,沉管隧道在地震作用下的轴力、弯矩以及GINA的变形量越大,反之,则越小。     

外海沉管隧道节段接头剪力键受力研究

沉管隧道管节接头对整个沉管隧道至关重要,因此,本文结合港珠澳大桥沉管隧道实例,采用有限元分析软件开展了符合实际的管节接头受力模型,对管节接头的钢筋和混凝土同时受力作用进行考虑,对现有港珠澳大桥沉管隧道相邻管节节头之间的剪力键进行受力分析研究,并得出有益的结论。     

考虑成层土变异性的等效基床系数分析

基床系数是利用荷载–结构法求解工程问题的关键。为研究具有变异性成层土地基的等效基床系数的分布特征及统计参数,基于最终沉降量一致原理推导以压缩模量为参数的等效基床系数计算方法,利用Monte Carlo方法考虑地层的变异性。在此基础上,借助Matlab软件实现求解,并将计算结果应用于港珠澳沉管隧道工程中,建立基于荷载–结构法的二维分析模型。主要得到如下结论:(1)典型断面K9+843处的等效基床系数近似符合正态分布,均值为985 kPa/m,变异系数为0.265;(2)考虑地基变异性得到的沉降量近似符合对数正态分布,且差异显著;(3)断面沉降量与地层–结构法三维有限元模型计算结果接近,证明上述计算方法是合理的。     

港珠澳大桥岛隧工程沉管预制预应力施工技术

后张法预应力施工在港珠澳大桥海底沉管隧道中的运用有其独特的一面,隧道沉管采用半刚性体系设计,管节预应力施工完成后既能保证节段接头一定范围的张开量,又要适应海床不均匀沉降。整个沉管隧道中,预应力扮演着非常重要的角色,设计理念与施工工艺也和以往预应力施工有非常大的区别,主要介绍港珠澳大桥岛隧工程沉管预制预应力施工技术中后张法无粘结预应力施工工艺的运用。     

港珠澳大桥隧道工程沉管法与盾构法比选分析

深入分析了沉管法和盾构法各自的技术特点,结合港珠澳大桥隧道工程,对沉管隧道和盾构隧道进行了方案初设,并从施工难度、风险综合评估、地质适用性、工期造价、环境影响等方面进行对比分析.比较而言,沉管隧道更占优势一些,因为沉管隧道造价低、风险小、工期短.虽然采用沉管隧道与外界的相互影响较大,但是采取必要的措施,影响可控,因此最后建议采用沉管法修建港珠澳大桥海底隧道.     

沉管隧道–接头–场地土振动台试验研究

为了解沉管隧道及其接头在地震作用下的动力响应,以中国广州洲头咀沉管隧道工程为背景,在北京工业大学九子振动台台阵系统上开展了1∶60比例尺大型沉管隧道–接头–场地土振动台模型试验。试验中模型箱采用装配式连续体刚性模型箱,其尺寸为7.7 m(长)×3.2 m(宽)×1.2 m(高),试验中输入地震动时程采用El Centro、Taft、天津及广州人工地震动记录,输入方向为水平横向和水平纵向一致地震动激励。设计了用于模拟沉管隧道接头的构件,并利用拉压传感器和激光位移计测得接头处所受轴向力及变形。结果表明:不同段模型结构测得的加速度及其傅立叶幅值谱有差别,且隧道结构地震响应不是随其自身特性振动,而是服从于周围土体的地震响应;不同强度地震动激励下,不同接头的受力情况可以为沉管隧道的抗震设计提供有价值的参考;不同强度地震激励下,不同接头的位移变化趋势基本上遵循J1接头位移最大,J3接头位移次之,J2接头位移最小,由于J2接头位于中间,这样的变化规律使得整个隧道沿纵向变形更加协调;水平纵向和水平横向一致地震激励下,每个接头的正反方向位移变化趋势基本平行,本次试验结果换算到原型结构,隧道接头止水带处于安全范围不会漏水。     

Earthquake-resistant design features of immersed tunnels in Japan

The main external force in the structural design of immersed tunnels in Japan is earthquake load, because of the vigorous earthquake activity in this region of the world. Many immersed tunnels have been constructed in soft ground at port areas, where the response of both the soft ground and the immersed tunnels are amplified during earthquakes. To estimate sectional force due to earthquake load, design methods have been developed by experimental testing, field observations and computer analysis. This paper outlines seismic design methods and countermeasures to earthquakes in Japan.     

盾构隧道在可液化场地中的地震响应分析

盾构隧道的装配式管片是其显著的结构特点,目前的抗震研究主要采用简化方法,少有能有效反映管片和接头细部特征的动力反应分析方法,对其在可液化场地中的地震响应规律也需要进一步研究。本文建立了一种精细化装配式管片结构计算模型,并基于砂土液化大变形统一本构模型,采用弹塑性有限元动力时程分析,分析了盾构隧道在可液化场地中的地震响应特征及规律。结果表明接头处响应是盾构隧道抗震的重要考虑因素。装配式管片结构相比于整体式结构柔度更大,受力较小,变形较大。在可液化场地中盾构隧道由于水平向作用力显著增加,在水平向被挤压,受力分布和抗震不利位置相比非液化场地有明显区别。     

沉管隧道地震反应分析局部精细化建模中的几个问题

通过大型沉管隧道的实例分析和前期研究成果,重点讨论沉管隧道地震反应分析中建立局部三维精细化模型时所应关注的4个问题:1模型范围大小的问题;2上覆水体动水作用的简化;3时域分析中阻尼矩阵的合理建模及其影响;4地震输入方式的选择与影响等。文中通过工程算例验证局部三维精细化建模的合理方式,研究结果表明:考察某段沉管管节的地震反应时,应至少考虑该管节两端各三段相邻管节的影响和轴向5倍以上土层厚度范围的土层影响;上覆水体可近似采用等效附加质量的方式模拟;当沉管隧道-土层体系的基频低于输入地震波的卓越频率时,易采用基于体系基频的优化方法来确定Rayleigh比例阻尼矩阵的比例系数;沿沉管隧道轴向的多点地震输入对隧道地震反应有较大影响,应加以充分关注。     

水下盾构隧道抗震设计分析方法的适应性研究

 针对断面大、水头高，结构复杂的水下盾构隧道，通过分析其在横向和纵向结构特点，提出了合理的抗震设计方法。在地层条件较均匀的横断面，通过成层重复反射理论，计算出工程场地地层的实际地震响应，采用反应位移法对隧道典型断面进行地震反应分析，再将其结果与静力计算结果叠加后作为抗震设计的依据。纵向则考虑线状结构特点、沿隧道纵向地层的不均匀性、地震行波效应和边界效应等方面的因素，应用三维时程响应法加以计算分析。对2种方法的特点、适用条件和分析流程进行了系统阐述，并将其应用于越长江盾构隧道工程，揭示了该典型水下盾构隧道的动力响应特征及抗震的薄弱部位。     

行波效应下曲线隧道动力响应解析解

隧道曲率变化段是制约隧道结构抗震安全性的关键控制区段,但目前隧道抗震设计仅以横断面剪切变形为主,未考虑隧道沿纵向的曲率半径变化,缺乏针对曲线隧道的纵向抗震简化分析方法。将曲线隧道沿纵向简化为作用在黏弹性地基上的变曲率有限长均质Euler-Bernoulli梁,基于Hamilton原理及黏弹性地基梁理论建立了结构的微分动力控制方程及边界条件,并通过模态叠加法进行求解,推导出任意动载作用下曲线隧道的位移、速度、加速度、弯矩、剪力等动力响应的解析表达式,以行波荷载为例,给出行波效应下曲线隧道动力响应的退化解答。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了所推导解析解的正确性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了隧道曲率半径、行波波速、行波频率及地层–结构相对刚度比等关键因素对曲线隧道结构动力响应的影响规律。     

土岩变化地层长隧道纵向地震响应解析解

土岩地层交界面是制约长隧道结构抗震安全的关键控制节点,但现有设计方法均未考虑隧道沿其纵向的地层变化。基于隧道的动力响应特点提出力学模型,将隧道沿纵向简化为两段处于不同地层条件中的半无限长弹性地基梁。通过求解结构的位移微分控制方程,推导出土岩变化地层长隧道纵向地震响应的解析表达式,并引入位移相位角模拟行波效应,提出了面向工程设计的土岩变化地层长隧道纵向抗震简化分析方法。通过与有限元基准模型在相同条件下的对比分析,验证了该方法的有效性。最后应用该解析公式进行参数敏感性分析,揭示了结构刚度、地层剪切波速比等关键因素对土岩变化地层隧道结构地震响应的影响规律:隧道结构刚度越大,结构内力响应越剧烈,隧道地层突变段的内力峰值差越大,地层突变的影响范围也随之变宽;地层剪切波速比越大,隧道地层突变段的内力峰值差越大,但地层突变的影响范围却不受影响。     

Seismic response of box-type tunnels in soft soil: Experimental and numerical investigation

A series of dynamic centrifuge tests were carried out at the geotechnical centrifuge facility of IFSTTAR in Nantes, to investigate the response of box-type tunnels embedded in dry sand under sinusoidal and seismic excitation, as affected by soil-tunnel relative flexibility and soil-structure interface rugosity. The system under investigation was analyzed by means of full dynamic time history analyses, implementing rigorous finite element models. The numerical models were calibrated on the basis of back analysis of tests, while the numerical predictions were compared with experimental data, in terms of soil and tunnel horizontal acceleration, soil shear strains and tunnel deformations. The validated numerical models were then employed to further investigate several aspects of the system seismic response. Results indicate a rocking deformation mode coupled with the well-known racking distortion of box-type tunnels under seismic shaking. The effect of the soil-tunnel interface characteristics and soil yielding on the racking deformation of the tunnel, the dynamic earth pressures and shear stresses around the tunnel, as well as on dynamic lining forces is also reported. Soil yielding leads to post-shaking, residual, dynamic earth pressures, shear stresses and lining forces, especially in the case of flexible tunnels, while interface characteristics affect the distributions of these response parameters around the perimeter of the tunnel section. The ability of simplified seismic design methods for tunnels to predict the response is finally discussed, by comparing their predictions with the recorded data and the numerical results.     

沉管隧道地震响应分析的并行计算

采用全三维非线性建模方法建立了沉管隧道总体有限元模型,模型规模上节点总数超过100万,单元总数超过120万。由于系统的非线性,以及地震激励是一种时间历程,沉管隧道地震响应数值模拟的实质是一个超大规模非线性系统的瞬态响应计算问题,因此导致目前在地震安全性评价领域普遍采用的串行算法、串行软件和普通的计算机无法胜任此工作。根据所用超级计算机的体系结构特点,采用并行区域分解算法,通过对沉管隧道总体模型合理分区来进行地震响应分析。地震波载荷选用调幅后的唐山地震波,应用通用的非线性动力分析有限元程序LS-DYNA进行求解,计算结果可为隧道的抗震设计提供有力依据。     

拟静力法计算隧道横截面地震响应的一点改进

隧道、输水管道、地下管廊等地下结构的应用日趋增多,此类地下结构在地震作用下的动力响应将会以形变的方式体现。隧道地震响应目前有众多计算方法,本文就土-结构相互作用的解析解进行研究,估算圆形隧道横截面的变形和力。本文基于弹性力学理论,就两种相对刚度法的原理与计算结果进行了对比与分析,建立了两种方法的转化关系解析解,便于工程应用。通过对前人的研究成果总结与分析,对拟静力法计算隧道横截面地震响应做了相应的改进,并与已有算例进行对比,使其更加接近于真实的地震响应结果,文章成果对于地下结构初步设计具有一定的借鉴意义。