沉管隧道纵向地震响应分析的多体动力学方法

沉管隧道纵向地震响应分析是沉管隧道抗震设计的关键。根据沉管隧道结构的几何特征和结构特点,基于合理假设建立了沉管隧道的多刚体-弹性阻尼铰-阻尼铰动力学模型,并运用多体动力学理论中的离散时间传递矩阵法(MS-DT-TMM)推导出了其数学模型及表达式。通过算例进行了沉管隧道纵向地震响应的时程分析,并将该方法与传统有限元方法的计算结果进行了对比,结果表明了MS-DT-TMM法的可行性和有效性,为快速实现沉管隧道抗震计算分析提供了新的手段。     

考虑行波效应的沉管隧道抗震性能:振动台阵试验研究

为研究沉管隧道结构及接头的抗震性能,通过振动台阵试验研究了沉管隧道结构及其接头动力响应特征。试验分别考虑了一致及不同视波速的纵向行波激励,对比研究了行波效应对土和沉管隧道及其接头的影响规律和影响程度。试验结果表明:一致激励下,隧道与土体具有比较一致的整体运动,而考虑纵向行波效应时,土体和隧道产生相对滑移,同时纵向行波效应及其输入方向对接头轴力、弯矩和变形有较大影响,行波效应使得沉管隧道接头的反应趋于不均匀,沉管隧道及其接头进行抗震设计时应考虑行波激励的影响。     

沉管隧道在列车振动作用下受力状态的研究

本文根据弹性地基梁原理和三维有限元法,对沉管隧道纵向受力状态和接头受力状态进行了分析计算,为长江沉管隧道的初步设计提供了参考依据。     

海底盾构隧道结构端部效应及抗减震措施研究

海底盾构隧道-竖井连接部位的刚度突变会使隧道结构受到差异位移的作用,形成复杂的空间效应,即隧道结构的端部效应。考虑海床土体的动力非线性特性、盾构隧道管环间纵向螺栓连接以及盾构隧道-竖井柔性接头等因素,建立了苏埃海底隧道工程盾构隧道-竖井连接区段三维精细化有限元模型,研究了海底盾构隧道结构端部效应及抗减震措施。结果表明,在地震作用下,盾构隧道-竖井节点环缝张开量约为常规隧道段的2～5倍,端部效应影响范围约为1.5D(D为隧道直径),隧道结构端部效应随地震动强度的增大而呈非线性增大趋势,低频发育的Darfield波作用比中高频发育的Iwate波作用时引起更大的环缝张开量。盾构隧道端部效应影响范围与盾构隧道-竖井节点自身结构特性相关,受地震波类型及幅值影响较小。增加盾构隧道-竖井节点环缝连接螺栓数量可以有效降低盾构隧道端部环缝张开量,却加剧竖井端墙和盾构隧道结构的地震损伤。增设盾构隧道-竖井柔性连接可将地震波传播引起的结构变形诱导至预设的柔性接头上,减轻盾构隧道端部地震损伤的同时牺牲的是柔性接头处抗震安全性,柔性接头设计能满足预期的地震变形要求。     

穿越断层分段柔性接头隧道纵向地震响应解析解

隧道穿越活动断层段是地震中破坏最为严重的区域之一,是隧道抗减震设计的关键控制区域。对于穿越断层隧道,设置柔性接头是一种有效的抗减震措施。针对穿越断层隧道柔性接头无可用抗震设计方法的现状,基于隧道的灾变特性和柔性接头的设计理念,提出柔性接头力学模型,建立了面向工程设计的穿越断层分段柔性接头隧道纵向抗震简化分析方法。然后通过与有限元数值解和现有研究的对比分析,验证了该方法的有效性和可行性。最后应用该解析式进行了敏感性参数分析,揭示了结构刚度、断层宽度等关键因素对穿越断层分段柔性接头隧道地震响应的影响规律。研究结果表明：(1)柔性接头能增大衬砌的可允许变形能力,有效减小隧道衬砌的内力,使断层对隧道动力响应影响局部化。无论是否设置接头,穿越断层隧道受力的不利位置主要分布在断层中部和断层与上下盘接触面位置,是抗震设防需重点关注的区域;(2)增大衬砌的弯曲刚度会减小衬砌上的位移响应,也增大其在两接头位置的位移差,同时会显著增大衬砌上的内力响应值;(3)断层破碎带宽度的增大,隧道的位移增大,衬砌的弯矩响应最大值也增大,而剪力响应最大值表现为先增大后减小的趋势,其对隧道沿轴向地震响应的影响范围也增大。     

考虑SSI三种效应的桩基础RC梁式桥抗震性能评估方法研究

桩-土-桥动力相互作用是桥梁抗震研究的热点和难点问题,需合理考虑地基土柔度效应、运动学效应及阻尼效应的影响。本文采用基于性能点轨迹法的结构非线性静力分析方法,引入FEMA440针对土-结相互作用运动学效应、地基阻尼效应的地震动需求谱修正算法,探讨建立综合考虑桩-土相互作用三种效应的桩基础RC桥梁的抗震性能评估方法。以某高速公路RC连续梁桥为算例,分别以三种设计谱及相应的人工波为输入进行非线性静、动力方法验算对比,两个水准下的计算结果表明本文建议方法在补充考虑后两种效应后,地震响应略小于以考虑第一种效应为主的动力时程法,所建议方法能用于有效评估桩基础桥梁在预期地震需求下的抗震性能。     

沉管隧道管节接头混凝土剪力键压剪破坏试验研究

接头是沉管隧道中最薄弱的一环,在受到地震和不均匀沉降等作用下,接头会发生横向变形,并通过接头中的剪力键传递。目前,国内外沉管隧道管节接头变形规律的研究较少集中在剪力键上,更缺少管节接头整体力学性能试验数据的支持。根据沉管隧道接头构造设计特点,该文提出了一套测试接头压剪承载力和破坏模式的破坏试验方法和加载方案,并开展了几何比尺为1:10的管节接头压剪试验,研究接头在低周往复剪切荷载下的力学性能,记录其荷载-位移曲线,最终获得接头压剪刚度曲线。试验结果表明,管节接头和单个剪力键的承载力分别是310 kN/355 kN（正/负向）和88 kN,均比设计承载力高。而接头剪力键的破坏模式主要表现为局部翘曲破坏和凸榫根部拉裂破坏。     

基坑上跨开挖诱发既有盾构隧道隆起变形研究EI北大核心CSCD

基坑上跨开挖将会引起既有盾构隧道隆起变形,危及既有盾构隧道的服役性能。目前基坑开挖引起的盾构隧道隆起变形的解析方法,通常将盾构隧道简化为埋置于弹性地基上的连续长梁,忽略了环间接头影响。针对前人研究的不足,提出带环间接头的盾构隧道计算模型,通过非线性Pasternak地基模型来考虑地基土变形的非线性特征,通过两阶段分析法,推导得到基坑上跨开挖作用下盾构隧道隆起位移和张开量简化解答。通过MINDLIN解计算基坑开挖引起的作用于盾构隧道上的附加荷载;建立基坑卸载下盾构隧道的隆起变形微分方程。利用有限差分法求解出基坑开挖引起的邻近盾构隧道隆起变形和内力分布。收集了三个工程实测数据,并将所提方法和实测数据、既有理论方法进行对比,验证所提方法的适用性。     

非线性成层地基下基岩平稳地震动输入

采用二次反演计算基岩的平稳地震动输入。首先根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）的地震影响系数曲线，利用加速度峰值等效原则迭代计算得到地面加速度平稳功率谱密度；然后通过等价线性化法计算地基各土层的剪切模量和阻尼比，将地面加速度平稳功率谱密度作为地面边界上的虚拟稳态输入，运用半无限长剪切梁上的一维波动方程，通过非线性迭代分析求得非线性分层地基下基岩的加速度平稳功率谱密度。该方法可为缺乏地面或基岩地震加速度记录资料的地区的堤坝等大型上部结构及隧道、管道等建筑物的随机地震响应分析提供较为可靠准确的基岩地震动输入，并可得到地基中不同深度的加速度、剪应变等动力响应的稳态峰值期望值，为应用随机理论进行工程抗震计算提供了依据。     

基于性能的重力坝-地基系统地震易损性分析

地震易损性分析是地震风险研究中的三个(地震危险性分析、地震易损性分析和地震灾害损失评估)主要方面之一,可以预测大坝-地基系统在不同等级地震荷载作用下发生各级破损的概率。采用拉丁超立方抽样法得到抽样组合样本,对重力坝-地基系统进行了非线性有限元计算,根据坝体-地基系统地震破损等级指标,给出了坝体破损、坝基交界面屈服和地震滑动的地震易损性曲线,提出了坝体-坝基系统整体的易损性评价方法,对坝体-地基系统的抗震设计、加固和维修决策提供了一个新的评价方法。     

沉管隧道接头力学模型及刚度解析表达式

接头刚度是表征沉管隧道接头性能的最重要参数. 目前沉管隧道接头刚度的取值既无现成的解析表达式或图表可循, 也无接头力学性能试验数据支持. 该文根据接头构造设计特点提出力学假定, 将接头GINA止水带抽象为弹簧, 接头板则假定为不产生挠曲变形的刚性板, 在此基础上建立了接头的力学模型. 根据受力平衡方程和变形协调方程, 推导出接头刚度的解析表达式. 通过与所设定的接头三维精细化基准模型在相同设计参数下的结果对比, 验证了接头力学模型及刚度解析解的合理性. 最后应用该力学模型进行了接头参数敏感性分析, 预测了各种因素对接头刚度的影响规律.     

基于ALE的大型输水隧道地震动响应并行数值分析

提出基于ALE （Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法的输水隧道地震动响应并行数值分析方法,采用ALE方法模拟内水和隧道的相互作用,提出基于耦合负载均衡的并行计算方法加快求解速度,采用显式中心差分法完成方程求解。针对某大型输水隧道,建立内水-隧道-土体耦合的全三维数值模型,分析其在非一致地震激励下的动力响应。模型中考虑材料非线性、接触及流固耦合非线性等实际情况,并采用PML （Perfectly Matched Layer）建立人工边界模拟无限区域。在曙光5000A超级计算机上,利用所提方法,完成该大规模非线性问题的求解。通过与附加质量法对比,验证ALE方法模拟内水-隧道耦合的可行性;分析输水隧道地震激励下的应力及变形情况;讨论内水量及变形缝对隧道动力响应的影响;分析并行计算效率。结果表明:环向应力较大值出现在靠近工作井的截面,隧道结构满足强度要求;隧道截面变形量处于安全范围内;满水隧道较空隧道承受更大应力;变形缝可以降低隧道的动力响应;所提并行计算方法可以获得较好的并行效率。     

带柔性接头的深海立管动力特性和非线性静力响应分析

深海立管各段之间并非完全刚性连接，本文提出了一种柔性接头的物理模型并建立了整个立管系统的控制方程，研究了柔性接头对立管动力特性和几何非线性静力响应的影响，可用于控制和改善立管的动力响应     

一种提高管片隧道衬砌结构抗内爆炸性能的工程措施研究

地铁等城市隧道是恐怖爆炸袭击的主要目标之一。盾构管片隧道由不同类型的预制混凝土管片通过接头处的紧固螺栓拼装而成的。由于接头的存在,与整体式衬砌结构相比,其整体刚度和承载水平比较弱,变形和破坏机理与整体式衬砌结构不同。考虑内爆炸的恐怖袭击条件,目前关于管片隧道衬砌结构抗内爆炸的研究成果很少。从分析全尺寸管片内爆炸试验结果入手,分析了内爆炸荷载作用下管片衬砌结构变形和破坏规律,梳理出控制衬砌结构破坏的关键因素和关键位置,提出一种在接头螺栓处添加柔性垫圈来降低与螺栓接触区域管片的破坏程度的方法,以期达到优化衬砌结构抗内爆炸性能的目的。最后采用数值模拟方法,对所提出了抗爆减爆工程措施进行了分析研究。结果表明,该方法可以有效减小管环在接头处的局部破坏,提高管片衬砌的抗内爆炸性能。     

Study of the collapse mechanism of shield tunnels due to the failure of segments in sandy ground

Catastrophic tunnel collapses usually start with the partial failure of tunnel linings. However, research on the mechanism of such progressive collapses is limited. Among such collapses, a considerable number of accidents have arisen from the construction of a connecting passage, which requires removing segments at the springline. Therefore, in this study, a series of customized model tests were conducted to investigate the mechanism underlying tunnel collapse due to this operation. The test results showed that the inrush of the sand due to the removal of a certain segment at the springline may lead to the loss of soil resistance around the openings, resulting in a sudden increase in the bending moments of the adjacent linings. In particular, an increase in the cover-depth-to-diameter ratio (C/D) can aggravate the development of the maximum bending moment, although it has little influence on the affected length of the tunnel. To address the load sustained by the segments and joints during collapse that the model tests fail to show, 3D numerical analyses based on the load-structure model were performed. Via comparison with existing failure criteria for both segments and joints, the safety of the adjacent tunnel linings can be evaluated.     

Iwan模型非线性恢复力及能量耗散计算研究

广泛应用于装配结构中的螺栓连接会对整个结构的动力响应产生显著的影响,可见,研究这类连接部位的动力学行为具有重要的意义。该文对描述此类连接形式的动力学行为的Iwan模型进行了深入的研究。首先推导了当构成模型的Jenkins单元的屈服力满足均匀分布的情况下,Iwan模型分别处于局部滑移和整体滑移运动时的描述模型恢复力的分段非线性函数,并对其进行了归一化处理;接着在其基础上,推导了在这两类滑移运动中,模型周期能量耗散的归一化计算公式;最后还进一步对修正Iwan模型进行了研究。研究成果为研究装配结构的结构阻尼和非线性动力学行为奠定了基础。     

大展弦比柔性机翼气动弹性风洞模型设计与试验验证

大展弦比柔性机翼飞机的气动弹性是当前理论研究的热点,而风洞试验研究则是揭示大变形气动弹性运动机理和验证理论方法的必要手段。该文建立了能够考虑几何非线性特点的大展弦比柔性机翼风洞试验模型结构设计方案。该方案设计结合几何非线性气动弹性理论分析与模型地面试验,在确保分析模型与理论模型一致的基础上,进行了实物模型的气动弹性风洞试验。风洞试验结果表明大展弦比柔性机翼的结构大变形效应对其气动弹性特性产生了一定影响,大变形导致结构水平弯曲模态发生失稳进而降低了模型的颤振速度,与几何非线性气动弹性分析结果一致。试验颤振速度、颤振模态均与理论分析结果吻合,验证了该文几何非线性气动弹性分析方法的准确性。     

非线性管-土作用下钢悬链线立管触地区疲劳分析

基于P-y曲线建立非线性管-土相互作用模型,分别运用大挠度曲线梁和弹性地基梁单元模拟钢悬链线立管(Steel Catenary Riser, SCR)的悬垂段和流线段,研究周期运动下管-土相互作用响应和SCR触地区的疲劳分析。SCR具有复杂的非线性动态行为,特别是触地点区域,由于海床模型的不确定性,一直是数值模拟的难点。通过Fortran编写子程序嵌入CABLE3D,开发得到包括非线性管-土作用模型的新程序CABLE3D RSI,围绕SCR与海床相互作用响应和立管的整体动力分析等内容展开研究;根据时域内的动力响应,运用S-N曲线法得到触地点区域的疲劳损伤分布情况,研究有关参数对疲劳损伤的影响。结果表明:1) 周期载荷作用下,立管在海床上形成的沟槽逐渐发展,相比于线弹性和刚性海床非线性海床分布力更加符合工程实际;2) 海床刚度模型、土剪切强度以及吸力因子都对立管触地区的疲劳损伤具有重要影响。     

强震作用下大跨斜拉桥伸缩缝处碰撞效应的影响研究

大跨斜拉桥一般采用飘浮体系或者弹性约束体系,其在强震作用下梁端会发生很大位移,梁端的过大位移可能会导致主梁与相邻跨引桥的碰撞,使整个结构丧失整体性。本文针对强震作用下大跨斜拉桥伸缩缝处的碰撞现象,以一座典型大跨斜拉桥为例,建立了考虑引桥墩柱、塔柱弹塑性的空间非线性碰撞模型,采用非线性时程法研究了大跨斜拉桥伸缩缝处相邻跨梁体碰撞对桥梁结构地震反应的影响。研究结果表明：由于大跨桥梁结构主、引桥结构体系不同,在强震作用下主引桥相邻梁体易发生碰撞,碰撞不仅会产生很大的撞击力,而且使引桥地震力需求、引桥梁端位移、主引桥相对位移及引桥梁体搭接长度需求有较大增长,极易造成引桥的落梁或者破坏;而碰撞效应对主桥的地震需求影响较