CN101950318A - 基于混合模型的输水隧道模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种隧道施工技术领域的基于混合模型的输水隧道模拟方法,通过建立隧道混合三维有限元模型,并加入土体及管片的初始应力进行初始工况仿真,得到隧道建成后的初始状态;再向初始状态的隧道混合三维有限元模型中添加外部模拟条件后,应用显示非线性有限元方法LS-DYNA进行求解,得到模型响应,实现隧道模拟。本发明可以获得隧道整体结构的响应规律,并对关键部位的关键零部件进行详细分析;同时可先进行整体等效求解,获得局部危险处,或者根据以往施工经验指定局部危险处。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种隧道施工技术领域的方法,具体是一种用于规模在两百万单元以上的基于混合模型的输水隧道模拟方法。
背景技术
由于盾构隧道施工技术可以最大限度地减少对城市其他设施的影响,因此已经成为世界各国城市隧道施工的主要形式。在我国上海、北京、广州、南京、深圳等地也都在地铁施工中使用盾构技术。在城市环境进行盾构隧道施工,直接影响到城市建筑与人的安全,因此需要考虑各个方面,如盾构机掘进技术,管片拼装技术,施工过程中的地表沉降问题等等。包括地质条件、施工技术等众多的因素影响着盾构施工的质量与安全性,施工之前所制定的技术方案往往不能满足这些要求。因此,迫切需要对盾构隧道施工过程进行数值模拟来校验所制定方案的可行性,以便及早发现、解决施工过程中可能出现的问题,为盾构施工提供技术支持。
经对现有技术的检索发现,在盾构隧道施工数值模拟领域,有限元方法以其准确的方法得到了广泛的应用,成为这一领域使用的主要方法。然而大量的研究集中在对盾构隧道局部性能、或全局性能的单一方面。对于超大规模的隧道工程,至今缺乏有效的方法既可以对其全局进行整体分析,又可以对局部细节进行分析。
进一步检索发现,徐文焕在《西南交通大学学报》1981,Vol(4):88-94上发表的“子结构法及其在隧道围岩应力分析中的应用”采用子结构法对隧道整体与局部进行了有限元仿真分析。此类方法计算精度受局部细化模型的分离位置影响较大,多工况计算时数据处理比较复杂和繁琐,且模型及方法都没有考虑隧道整体对局部的影响因素,这与实际情况完全不符,严重影响了数值模拟的准确性。因此,目前还没有一项成熟的数值模拟方法在对超大规模隧道的分析中即可以实现对全局的分析又可以对局部的精确分析。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提供一种基于混合模型的输水隧道模拟方法,满足了在对超大规模的隧道仿真中,既可以快速、有效的对整体进行分析,又可以对局部细节进行分析的需求。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括以下步骤:
第一步,建立包括管片精细模型、管片等效模型、土体模型、工作井模型和变形缝模型的隧道混合三维有限元模型,其中:多个管片精细模型通过螺栓连接成为一个衬砌环并由弹簧单元模拟螺栓,若干个衬砌环通过螺栓连接构成隧道,管片精细模型与管片等效模型之间通过固连接触连接,变形缝模型与管片精细模型以及变形缝模型与管片等效模型之间均为共节点连接方式,土体模型与隧道之间、土体模型与工作井之间以及土体模型与变形缝之间均为接触连接,工作井模型与管片精细模型以及工作井模型与管片等效模型之间均为共节点连接方式。
所述的管片精细模型为满足管片实际结构的模型;所述的土体模型为隧道体周围的土体三维有限元模型;所述的工作井模型为按照实际几何结构建立三维有限元模型;所述的变形缝模型用来吸收隧道管片间产生的相对错动;所述的管片等效模型为管片精细模型的简化体。
第二步,通过向第一步得到的隧道混合三维有限元模型中加入土体及管片的初始应力进行初始工况仿真,得到隧道建成后的初始状态,具体步骤为:
2.1)对隧道混合三维有限元模型加载重力载荷和全局阻尼,重力加速度的值为9.8m/s2,全局阻尼的取值为其中T为隧道混合三维有限元模型的固有频率,同时对隧道混合三维有限元模型中的管片精细模型、管片等效模型以及工作井的外表面施加外水压力后,应用显示非线性有限元方法(LS-DYNA)进行求解,直到达到平衡状态。
2.2)将步骤2.1)中的隧道混合三维有限元模型达到平衡状态时的土层应力场作为初始应力加载,对隧道混合三维有限元模型施加恒定重力并加载恒定外水压力作为隧道建成后的初始状态。
所述的加载恒定外水压力是指:采用帕斯卡定理确定外水压力的最大值,再以线性增加的方式从零增大至外水压力的最大值。外水压力的最大的定义为:p=ρgh,其中ρ为外水密度;g为重力加速度;h为单元处所海平面的位置。
2.3)应用显示非线性有限元方法LS-DYNA对步骤2.2)中的初始状态进行求解,直到达到平衡状态。
第三步,向第二步中初始状态的隧道混合三维有限元模型中添加外部模拟条件后,应用显示非线性有限元方法进行求解,得到模型响应,实现隧道模拟。
所述的外部模拟条件是指:具有铁路车流载荷的工况、水模型以及铁路车流载荷。
本发明对于提高仿真效率、仿真精度具有重大的意义。对于大规模隧道的仿真,现有技术只能对隧道的整体性能,如隧道的整体沉降、整体位移进行分析。或者对某一局部进行详细分析,如隧道管片的受力、连接螺栓的受力。而且在进行局部分析时采用简化的边界条件来代替实际结构对其的作用,这严重影响了局部分析分析结果的精度。
本发明弥补了以往模拟中宏观与微观不能同时兼顾的不足,既可以获得隧道整体结构的响应规律,又可以对关键部位的关键零部件进行详细分析;同时可先进行整体等效求解,获得局部危险处,或者根据以往施工经验指定局部危险处。之后在危险处由精细模型替换等效模型,从而形成混合模型进行精确求解。
附图说明
图1为本发明隧道仿真模拟流程示意图。
图2为本发明实施例中的隧道混合三维有限元模型示意图。
图3为本发明实施例中的环向顶部压力加载工况模型示意图。
图4为本发明实施例中的载荷与水平直径处变形量的关系示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示,本实例所仿真的整体隧道模型全长约14km,全部采用六面体有限元单元,是典型的超大规模隧道仿真问题。
本实施例通过以下步骤实现模拟:
如图2、图3所示,第一步,建立包括管片精细模型、管片等效模型、土体模型、工作井模型和变形缝模型的隧道混合三维有限元模型,其中:多个管片精细模型通过螺栓连接成为一个衬砌环并由弹簧单元模拟螺栓,若干个衬砌环通过螺栓连接构成隧道,管片精细模型与管片等效模型之间通过固连接触连接,变形缝模型与管片精细模型以及变形缝模型与管片等效模型之间均为共节点连接方式,土体模型与隧道之间、土体模型与工作井之间以及土体模型与变形缝之间均为接触连接,工作井模型与管片精细模型以及工作井模型与管片等效模型之间均为共节点连接方式。
所述的管片精细模型为满足管片实际结构的模型,包括管片参数为:内径5500mm,外径6400mm,管片厚度450mm,环宽1500mm,平均宽度1500mm;单面锥度1∶333.3;对于管片精细模型,建立手孔、铸铁件、橡胶密封垫、环向螺栓以及纵向螺栓等管片主要特征;对于管片等效模型,沿径向两层单元,单元厚度0.225m,环向均布20个单元。沿隧道轴向,单元长度为1.5米,共1102923个节点,735242个单元;对于土体模型,采用六面体实体单元,并依据土体在纵向地质的不同分为7层,每一层对应不同的土体材料参数;对于工作井模型,共包含五个,并按照实际结构而建立,主要包括以下结构:地下连续墙、内衬、混凝土支撑及围檩、填土、桩基、加强筋等;对于变形缝模型,建立厚30mm,双层单元结构形式。隧道混合三维有限元模型的单元数总约314万,节点数约357万,
所述的土体模型为隧道体周围的土体三维有限元模型,围绕隧道体5~15倍的直径范围,具有分层特性;
所述的工作井模型为按照实际几何结构建立三维有限元模型,负责隧道管片段之间的连接;
所述的变形缝模型用来吸收隧道管片间产生的相对错动,降低了管片与工作井的刚性连接。
所述的管片等效模型为管片精细模型的简化体,为连续六面体实体单元组成的管状模型,具有与管片精细模型相同的内、外径以及厚度尺寸,该管片等效模型中的材料模型包含材料折减系数以及管片材料;
所述的材料折减系数通过以下方式获得:根据隧道的受力特征,通过对管片精细模型和管片等效模型选择一种仿真工况,将管片精细模型和管片等效模型的仿真结果进行对比得到该工况下隧道管片材料的弹性模量折减系数。
所述的仿真工况包括:环向内压加载工况、环向外压加载工况、环向顶部压力加载工况、轴向压缩加载工况、轴向拉伸加载工况和轴向弯曲加载工况,其中:
①环向内压加载工况:分别对两环精细模型以及两环等效模型加载均布内压载荷进行仿真。管片轴向约束,内部加多组均布压力载荷。仿真结果中依次记录在各组荷载下管片的外径变形量,做出载荷与外径变形量的关系图并直线拟合各点,比较精细模型和等效模型的直线斜率,以得到管片在内压工况下弹性模量的折减系数。
所述两环精细模型是指装配在一起的连续两个管片精细模型。同样,所述两环等效模型是指连接在一起的连续两个管片等效模型。
②环向外压加载工况:分别对两环精细模型以及两环等效模型加载均布外压载荷进行仿真。管片轴向约束,外部加多组均布压力载荷。仿真结果中依次记录在多组荷载下管片的外径变形量,做出载荷与外径变形量的关系图并直线拟合各点,比较精细模型与等效模型的直线斜率得到管片在外压工况下弹性模量的折减系数。
③环向顶部压力加载工况:分别对两环精细模型以及两环等效模型进行顶部压力加载仿真。模型顶部和底部各放置一块平板,平板与管片建立接触关系,底部平板固定,在顶部平板加多组均布压力载荷。仿真结果中依次记录在多组荷载下管片的外径变形量,做出载荷与水平直径处变形量的关系图并直线拟合各点,比较精细模型和等效模型的直线斜率得到管片在顶部压力工况下弹性模量的折减系数。
④轴向压缩加载工况:分别对八环精细模型与八环等效模型加载轴向压力载荷进行仿真。在模型两侧放置两个平板,与隧道约束在一起,左侧平板固定,在右侧平板上加多组均布压载荷。仿真结果中依次记录在多组荷载下隧道的轴向变形量,做出轴向压力载荷与轴向变形量的关系图并直线拟合各点,比较精细模型与有效模型的直线斜率得到管片在轴向压缩工况下弹性模量的折减系数。
所述八环精细模型是指装配在一起的连续八个管片精细模型。同样,所述八环等效模型是指连接在一起的连续八个管片等效模型。
⑤轴向拉伸加载工况:分别对八环精细模型以及八环有效模型加载轴向拉力载荷进行仿真。在模型管片两侧放置两个平板,与隧道约束在一起,左侧平板固定,在右侧平板上加多组均布拉载荷。仿真结果中依次记录在多荷载下隧道的轴向变形量,做出轴向拉力载荷与轴向变形量的关系图并直线拟合各点,比较精细模型和有效模型的直线斜率得到管片在轴向拉伸工况下弹性模量的折减系数。
⑥轴向弯曲加载工况:分别对八环精细模型与八环等效模型加载轴向弯矩载荷进行仿真。在模型两侧放置两个平板,与隧道约束在一起,左侧平板固定,在右侧平板上每个节点加多组绕与管片端面垂直的坐标轴的力矩。仿真结果中依次记录在多组荷载下隧道的最大挠度,做出轴向弯矩载荷与最大挠度的关系图并直线拟合各点,比较精细模型与等效模型的直线斜率得到管片在轴向弯曲工况下弹性模量的折减系数。
如图3所示,对两环错缝180°直线拼装的衬砌环和两环均质圆环进行顶部压力加载仿真。衬砌环或均质环的顶部和底部各放置一块平板,平板与管片建立接触关系,底部平板固定,在顶部平板加一组均布压力载荷,分别为0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa。仿真结果中依次记录在4级荷载下管片的外径变形量,做出载荷与水平直径处变形量的关系图并直线拟合各点,如图5所示,比较真实管片结构和连续均质管片结构的直线斜率,得到衬砌环在顶部压力工况下弹性模量的折减系数为0.74。根据此折减系数就可以获得管片等效模型的材料弹性模量。
第二步,通过向第一步得到的隧道混合三维有限元模型中加入土体及管片的初始应力进行初始工况仿真,得到隧道建成后的初始状态,具体步骤为:
2.1)对隧道混合三维有限元模型加载重力载荷和全局阻尼,重力加速度的值为9.8m/s2,全局阻尼的取值为其中T为隧道混合三维有限元模型的固有频率,同时对隧道混合三维有限元模型中的管片精细模型、管片等效模型以及工作井的外表面施加外水压力后,应用显示非线性有限元方法LS-DYNA进行求解,直到达到平衡状态。
2.2)将步骤2.1)中的隧道混合三维有限元模型达到平衡状态时的土层应力场作为初始应力加载,对隧道混合三维有限元模型施加恒定重力并加载恒定外水压力作为隧道建成后的初始状态。
所述的加载恒定外水压力是指:采用帕斯卡定理确定外水压力的最大值,再以线性增加的方式从零增大至外水压力的最大值。外水压力的最大的定义为:p=ρgh,其中ρ为外水密度;g为重力加速度;h为单元处所海平面的位置。
2.3)应用显示非线性有限元方法LS-DYNA对步骤2.2)中的初始状态进行求解,直到达到平衡状态。
本实施例中首先对整体模型加载重力g=9.8m/s2,同时对隧道管片及工作井外壁施加外水压力p=ρgh,其中ρ为外水密度;g为重力加速度;h为管片处所在海平面的位置,该值依据单元所在位置的不同而不同。同时在整体模型中加入全局阻尼系数1.2,使模型在一定时间后达到平衡状态。紧接着将第一步平衡状态时的土层应力场导出,作为第二步计算的初始应力加载。同时,继续对整体模型施加重力和外水压力,重力和外水压力均为恒定值。
第三步,向第二步中初始状态的隧道混合三维有限元模型中添加外部模拟条件后,应用显示非线性有限元方法LS-DYNA进行求解,得到模型响应,实现隧道模拟。
如图4所示,由于本实例所述隧道的用途为长距离的饮用水输送,因此进行输水运营工况的仿真模拟。该工况的仿真基于以上初始工况仿真的结果。输水隧道处于运营工况时,隧道内部有水流持续流动,隧道进口处水库运行至最高水位4.0m,隧道出口处静态水位-3.114m;进口处隧道埋深为-9m,出口处为-14m。因此,水库最高水位与隧道进口埋深水位差为13m,静态水位与隧道出口埋深水位差为11m。模拟时,设定隧道进口压力边界条件为13m水柱,约1.3MPa。隧道出口压力边界条件为11m水柱,约1.1MPa。根据此载荷及边界条件,可进行仿真模拟,用以考察隧道整体或局部的力学性能。
Claims (6)
1.一种基于混合模型的输水隧道模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步,建立包括管片精细模型、管片等效模型、土体模型、工作井模型和变形缝模型的隧道混合三维有限元模型,其中:多个管片精细模型通过螺栓连接成为一个衬砌环并由弹簧单元模拟螺栓,若干个衬砌环通过螺栓连接构成隧道,管片精细模型与管片等效模型之间通过固连接触连接,变形缝模型与管片精细模型以及变形缝模型与管片等效模型之间均为共节点连接方式,土体模型与隧道之间、土体模型与工作井之间以及土体模型与变形缝之间均为接触连接,工作井模型与管片精细模型以及工作井模型与管片等效模型之间均为共节点连接方式;
第二步,通过向第一步得到的隧道混合三维有限元模型中加入土体及管片的初始应力进行初始工况仿真,得到隧道建成后的初始状态;
第三步,向第二步中初始状态的隧道混合三维有限元模型中添加外部模拟条件后,应用显示非线性有限元方法LS-DYNA进行求解,得到模型响应,实现隧道模拟。
2.根据权利要求1所述的基于混合模型的输水隧道模拟方法,其特征是,第一步中的管片精细模型为满足管片实际结构的模型,土体模型为隧道体周围的土体三维有限元模型,工作井模型为按照实际几何结构建立三维有限元模型,变形缝模型用来吸收隧道管片间产生的相对错动,管片等效模型为管片精细模型的简化体,该管片等效模型中的材料模型包含材料折减系数以及管片材料。
3.根据权利要求2所述的基于混合模型的输水隧道模拟方法,其特征是,所述的材料折减系数通过以下方式获得:根据隧道的受力特征,通过对管片精细模型和管片等效模型选择一种仿真工况,将管片精细模型和管片等效模型的仿真结果进行对比得到该工况下隧道管片材料的弹性模量折减系数。
4.根据权利要求3所述的基于混合模型的输水隧道模拟方法,其特征是,所述的仿真工况包括:环向内压加载工况、环向外压加载工况、环向顶部压力加载工况、轴向压缩加载工况、轴向拉伸加载工况和轴向弯曲加载工况。
5.根据权利要求1所述的基于混合模型的输水隧道模拟方法,其特征是,所述第二步具体为:
2.1)对隧道混合三维有限元模型加载重力载荷和全局阻尼,重力加速度的值为9.8m/s2,全局阻尼的取值为其中T为隧道混合三维有限元模型的固有频率,同时对隧道混合三维有限元模型中的管片精细模型、管片等效模型以及工作井的外表面施加外水压力后,应用显示非线性有限元方法LS-DYNA进行求解,直到达到平衡状态;
2.2)将步骤2.1)中的隧道混合三维有限元模型达到平衡状态时的土层应力场作为初始应力加载,对隧道混合三维有限元模型施加恒定重力并加载恒定外水压力作为隧道建成后的初始状态;
2.3)应用显示非线性有限元方法LS-DYNA对步骤2.2)中的初始状态进行求解,直到达到平衡状态。
6.根据权利要求5所述的基于混合模型的输水隧道模拟方法,其特征是,所述的加载恒定外水压力是指:采用帕斯卡定理确定外水压力的最大值,再以线性增加的方式从零增大至外水压力的最大值。
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