發(fā)布時(shí)間：2019-10-02 18:21

【摘要】：提出基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法的輸水隧道地震動響應(yīng)并行數(shù)值分析方法,采用ALE方法模擬內(nèi)水和隧道的相互作用,提出基于耦合負(fù)載均衡的并行計(jì)算方法加快求解速度,采用顯式中心差分法完成方程求解。針對某大型輸水隧道,建立內(nèi)水-隧道-土體耦合的全三維數(shù)值模型,分析其在非一致地震激勵下的動力響應(yīng)。模型中考慮材料非線性、接觸及流固耦合非線性等實(shí)際情況,并采用PML(Perfectly Matched Layer)建立人工邊界模擬無限區(qū)域。在曙光5000A超級計(jì)算機(jī)上,利用所提方法,完成該大規(guī)模非線性問題的求解。通過與附加質(zhì)量法對比,驗(yàn)證ALE方法模擬內(nèi)水-隧道耦合的可行性;分析輸水隧道地震激勵下的應(yīng)力及變形情況;討論內(nèi)水量及變形縫對隧道動力響應(yīng)的影響;分析并行計(jì)算效率。結(jié)果表明:環(huán)向應(yīng)力較大值出現(xiàn)在靠近工作井的截面,隧道結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求;隧道截面變形量處于安全范圍內(nèi);滿水隧道較空隧道承受更大應(yīng)力;變形縫可以降低隧道的動力響應(yīng);所提并行計(jì)算方法可以獲得較好的并行效率。
【圖文】：

釐ㄇ鈌蟣囈紓蝗緩螅嚶獐莘智釪?界，將邊界共享節(jié)點(diǎn)復(fù)制，并分配到各共享分區(qū)；進(jìn)而，將其余未參與耦合的單元按照空間坐標(biāo)位置分布到對應(yīng)子區(qū)域中，直到滿足分割收斂條件；最后將各分區(qū)模型導(dǎo)入求解器進(jìn)行并行計(jì)算。2數(shù)值模型上海青草沙輸水隧道為14km雙線隧道，分東西兩線，分為島域(長興島)、過江域(長江)和陸域(浦東新區(qū))三段。青草沙隧道為上海市超過1100萬居民提供引用水資源，其地震安全性尤為重要。本文根據(jù)青草沙隧道結(jié)構(gòu)及實(shí)際地質(zhì)資料建立了三維內(nèi)水-隧道-土體耦合動力仿真模型，并選定24個(gè)典型截面，如圖2所示。圖3為仿真模型局部精細(xì)結(jié)構(gòu)。整體全三維有限元模型(圖2(a))包含單元約167萬，節(jié)點(diǎn)約191萬。其中，隧道襯砌通過剛度折減建立等效連續(xù)模型，并用八節(jié)點(diǎn)厚殼單元離散；工作井及其附屬結(jié)構(gòu)采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元離散；隧道內(nèi)水采用基于ALE描述的八節(jié)點(diǎn)六面體單元離散；變形縫也采用八節(jié)點(diǎn)厚殼單元離散；土體根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況建立、分層并用八節(jié)點(diǎn)六面體300m5150m13280mPML邊界層(a)整體模型(b)隧道模型圖2三維內(nèi)水-隧道-土體耦合動力仿真模型Fig.23Dwater-tunnel-soilcouplingmodel(a)隧道-土體耦合示意(b)隧道-襯砌-內(nèi)水耦合示意(c)工作井-土體耦合及變形縫示意圖3數(shù)值模型局部細(xì)節(jié)Fig.3Localdetailsofsimulationmodel單元離散，為節(jié)省計(jì)算資源，土體網(wǎng)格采用粗網(wǎng)格與精細(xì)網(wǎng)格結(jié)合的方式進(jìn)行離散，如圖3(a)所示。為準(zhǔn)確模擬土體在地震荷載下的行為，本文采用Biot滯回材料模型模擬其在地震循環(huán)荷載下的粘彈特性。該材料模型的應(yīng)力可由應(yīng)變率表示為：R0()()()dttCt(13)其中：R12()1()πCtCEt(14)式中：滯回阻尼系數(shù)π/atan(10)2.14，其中為

界；然后，根據(jù)分區(qū)邊界，將邊界共享節(jié)點(diǎn)復(fù)制，并分配到各共享分區(qū)；進(jìn)而，將其余未參與耦合的單元按照空間坐標(biāo)位置分布到對應(yīng)子區(qū)域中，直到滿足分割收斂條件；最后將各分區(qū)模型導(dǎo)入求解器進(jìn)行并行計(jì)算。2數(shù)值模型上海青草沙輸水隧道為14km雙線隧道，分東西兩線，分為島域(長興島)、過江域(長江)和陸域(浦東新區(qū))三段。青草沙隧道為上海市超過1100萬居民提供引用水資源，其地震安全性尤為重要。本文根據(jù)青草沙隧道結(jié)構(gòu)及實(shí)際地質(zhì)資料建立了三維內(nèi)水-隧道-土體耦合動力仿真模型，并選定24個(gè)典型截面，如圖2所示。圖3為仿真模型局部精細(xì)結(jié)構(gòu)。整體全三維有限元模型(圖2(a))包含單元約167萬，節(jié)點(diǎn)約191萬。其中，隧道襯砌通過剛度折減建立等效連續(xù)模型，并用八節(jié)點(diǎn)厚殼單元離散；工作井及其附屬結(jié)構(gòu)采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元離散；隧道內(nèi)水采用基于ALE描述的八節(jié)點(diǎn)六面體單元離散；變形縫也采用八節(jié)點(diǎn)厚殼單元離散；土體根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況建立、分層并用八節(jié)點(diǎn)六面體300m5150m13280mPML邊界層(a)整體模型(b)隧道模型圖2三維內(nèi)水-隧道-土體耦合動力仿真模型Fig.23Dwater-tunnel-soilcouplingmodel(a)隧道-土體耦合示意(b)隧道-襯砌-內(nèi)水耦合示意(c)工作井-土體耦合及變形縫示意圖3數(shù)值模型局部細(xì)節(jié)Fig.3Localdetailsofsimulationmodel單元離散，，為節(jié)省計(jì)算資源，土體網(wǎng)格采用粗網(wǎng)格與精細(xì)網(wǎng)格結(jié)合的方式進(jìn)行離散，如圖3(a)所示。為準(zhǔn)確模擬土體在地震荷載下的行為，本文采用Biot滯回材料模型模擬其在地震循環(huán)荷載下的粘彈特性。該材料模型的應(yīng)力可由應(yīng)變率表示為：R0()()()dttCt(13)其中：R12()1()πCtCEt(14)式中：滯回阻尼系數(shù)π/atan(10)2.14，其中為阻尼比；C
【作者單位】： 上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院;上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院;
【基金】：國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA01AA307) 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11272214,51475287)
【分類號】：TV312;TV672.1

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本文編號：2545047