一种地下结构纵向抗震数值确定方法技术

本发明专利技术提供了一种地下结构纵向抗震数值确定方法，采用砂土液化本构对土层材料参数赋值，完成了砂土液化本构从理论向实际应用的转化，实现了将三维自由场非线性地震效应分析与地下结构纵向壳‑弹簧模型抗震分析进行结合，通过穿越三维自由场地的地下结构横断面位移时程提取实现土弹簧位移时程赋值，从而获得地下结构纵向抗震数值，本发明专利技术管节壳单元的形式丰富，不仅可以计算盾构隧道类型的环形截面，还可以用于计算沉管、管廊类型的方形截面，同时通过建立土体模型的方式进行赋值，能够真实地反映地下结构受力状况，适用场景广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种地下结构纵向抗震数值确定方法
本专利技术涉及一种地下结构纵向抗震数值确定方法，属于盾构隧道抗震措施研究

技术介绍
随着我国经济的发展和综合国力的提高，大中城市地下工程发展速度加快，我国的隧道建设规模发展越发迅速。这些隧道很多位于强震区，一旦发生强震，隧道的安全运营将受到严重威胁，造成重大人员伤亡和巨大的经济损失，因此开展强地震动作用下地下隧道的地震反应特性研究显得尤为重要。为了解决强震作用下大型盾构隧道纵向地震反应，国内外学者构建了多种模型进行研究。苗雨等所著的《基于广义反应位移法的过江盾构隧道纵向地震反应分析》通过建立二维自由场数值模型，提取隧道位置处对应管环中间点的位移时程响应，将一系列位移时程响应输入地基弹簧固定端，通过纵向梁-弹簧模型的计算分析了海底长大盾构隧道纵向地震反应，研究了管环间的张开量。由于二维自由场数值模型的局限性，无法完整提取土体弹簧三向参数，更无法自定义提取隧道四周多向的位移响应，并且无法考虑土体三维空间几何不均匀性。并且上述论文所采用的本构模型仅为总应力法本构模型无法考虑土体液化的影响，同时梁-弹簧模型无法观测到结构局部细节受力情况，管环连接弹簧和土弹簧系数的较为困难，而盾构隧道纵向长度较长，穿越地层复杂且纵向管环间通过大量螺栓连接，隧道结构刚度的不连续性较大，因此已有的长大地下结构抗震计算理论尚不能充分反映管环的整体刚度和变形特征。基于上述理由，纵向抗震方向仍有继续深度研究的价值。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种地下结构纵向抗震数值确定方法，采用砂土液化本构对土层材料参数赋值，完成了砂土液化本构从理论向实际应用的转化，实现将三维自由场非线性地震效应分析与地下结构纵向壳-弹簧模型抗震分析进行结合，从而获得地下结构纵向抗震数值，能够真实地反映地下结构受力状况，不仅可以计算盾构隧道类型的环形截面，还可以用于计算沉管、管廊类型的方形截面，同时通过建立土体模型的方式进行赋值，能够真实地反映地下结构受力状况，适用场景广泛。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种地下结构纵向抗震数值确定方法，包括以下步骤：S1、三维自由场非线性地震效应分析：S1.1、根据地勘结果提取土层和/或岩层分解坐标数据；S1.2、利用土层和/或岩层分解坐标数据构建精细化真三维自由场地模型；S1.3、采用砂土液化本构对精细化真三维自由场地模型中的土层材料参数赋值；S1.4、计算粘弹性人工边界参数并选择基岩地震动，将粘弹性边界作为边界条件，并在精细化真三维自由场地模型中的基岩处施加地震动一致性输入或非一致性输入；S1.5、精细化真三维自由场地模型进行计算，获得地震响应分析结果；S2、提取穿越精细化真三维自由场地模型中长大地下结构所在位置的任意选择间距的位移时程：S2.1、设置间隔距离，提取间隔距离的地下结构横断面的各个坐标；S2.2、设置精度参数n，提取地下结构横断面各个坐标的四周n个点的位移时程；S3、地下结构纵向壳-弹簧模型抗震分析：S3.1、提取地下结构横截面形心坐标；S3.2、构建三维壳-弹簧模型，其中土弹簧设置于三维壳-弹簧模型中地下结构横断面四周n个点处；S3.3、将步骤S2.2三维自由场地计算得到的位移时程赋值给土弹簧另一端；S3.4、三维壳-弹簧模型进行计算，得到长大地下结构纵向地震反应分析结果。步骤S1.1所述的根据地勘结果提取土层和/或岩层分解坐标数据、步骤S2所述的提取穿越精细化真三维自由场地模型中长大地下结构所在位置的任意选择间距的位移时程、步骤S3.1所述的提取地下结构横截面形心坐标以及步骤S3.4中位移时程赋值过程，分别通过Python编译实现。步骤S1.2所述的精细化真三维自由场地模型通过以下过程建立：S1.2.1、定义隧道模型轴线上的节点；S1.2.2、定义隧道模型所需单元；S1.2.3、定义材料性质、界面属性；S1.2.2、定义模拟接头部位的节点与该管节端点之间的约束关系；S1.2.2、将上述各部件组装为隧道模型，用于计算分析。步骤S1.3所述的采用砂土液化本构对精细化真三维自由场地模型中的土层材料参数赋值，具体包括以下过程：S1.3.1、采用嵌套屈服面硬化规则作为理论框架改进原始应力-应变混合空间的弹塑性本构模型中的屈服面硬化规则；S1.3.2、采用优化等效剪应变算法替换原始应力-应变混合空间的弹塑性本构模型中的原始剪应变算法；S1.3.3、基于ABAQUS显式模块(VUMAT)开发经过S1.3.1和1.3.2改进后的应力-应变混合空间的弹塑性本构模型的三维显式子模块，获得砂土液化本构，进行土层材料参数赋值；步骤S2所述的长大地下结构所在位置包括横截面四周和长大地下结构纵向范围。步骤S2.1所述的设置间隔距离，提取间隔距离的地下结构横断面的各个坐标，通过以下过程实现：S2.1.1、计算得到自由场数据，将自由场数据中的坐标转化为元组存储；S2.1.2、通过索引元组定义路径；S2.1.3、设定待输出的场变量；S2.1.4、重复步骤S2.1.2和S2.1.3，提取不同路径下不同时间步长下的场变量，将提取到的场变量的值存储至新的元组；S2.1.5、设置间隔距离后，在新的元组中查询对应坐标，实现提取。步骤S3.2所述的构建三维壳-弹簧模型具体包括以下过程：S3.2.1、利用管节壳单元模拟隧道管片，管节壳单元的外表面设置径向的土弹簧，相邻管环形壳单元之间设置多点约束控制点，在多点约束控制点之间设置管节间弹簧以模拟接头螺栓，管节间弹簧包括管节间接头轴向弹簧、管节间接头转动弹簧和管节间接头剪切弹簧；S3.2.2、土弹簧的一个径向的抗压刚度和两个切向的剪切刚度分别通过以下公式计算：Kt＝3GK1＝βKt式中Kt表示切向单位长度上地基土的弹簧系数，表示K1径向单位长度上地基土的弹簧系数，G表示与地震震动最大应变幅值相应的地基土的剪切模量，通过土试验数据测得，β表示换算系数；S3.2.3、通过模型计算管节间弹簧参数。本专利技术基于其技术方案所具有的有益效果在于：(1)本专利技术提供的一种地下结构纵向抗震数值确定方法将三维自由场非线性地震效应分析与地下结构纵向壳-弹簧模型抗震分析进行结合，通过穿越三维自由场地的地下结构横断面位移时程提取实现土弹簧位移时程赋值，从而获得地下结构纵向抗震数值；(2)本专利技术提供的一种地下结构纵向抗震数值确定方法中精细化真三维自由场地模型与传统的二维模型相比，能够考虑空间几何效应，计算结果与实际数值更加吻合；(3)本专利技术提供的一种地下结构纵向抗震数值确定方法采用砂土液化本构对土层材料参数赋值，虽然Yang和Ahmed等学者提对于该模型供了理论依据，实际应用仍存在以下技术难点：进行大型三维有限元数值计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地下结构纵向抗震数值确定方法，其特征在于包括以下步骤：/nS1、三维自由场非线性地震效应分析：/nS1.1、根据地勘结果提取土层和/或岩层分解坐标数据；/nS1.2、利用土层和/或岩层分解坐标数据构建精细化真三维自由场地模型；/nS1.3、采用砂土液化本构对精细化真三维自由场地模型中的土层材料参数赋值；/nS1.4、计算粘弹性人工边界参数并选择基岩地震动，将粘弹性边界作为边界条件，并在精细化真三维自由场地模型中的基岩处施加地震动一致性输入或非一致性输入；/nS1.5、精细化真三维自由场地模型进行计算，获得地震响应分析结果；/nS2、提取穿越精细化真三维自由场地模型中长大地下结构所在位置的任意选择间距的位移时程：/nS2.1、设置间隔距离，提取间隔距离的地下结构横断面的各个坐标；/nS2.2、设置精度参数n，提取地下结构横断面各个坐标的四周n个点的位移时程；/nS3、地下结构纵向壳-弹簧模型抗震分析：/nS3.1、提取地下结构横截面形心坐标；/nS3.2、构建三维壳-弹簧模型，其中土弹簧设置于三维壳-弹簧模型中地下结构横断面四周n个点处；/nS3.3、将步骤S2.2三维自由场地计算得到的位移时程赋值给土弹簧另一端；/nS3.4、三维壳-弹簧模型进行计算，得到长大地下结构纵向地震反应分析结果。/n...

【技术特征摘要】
1.一种地下结构纵向抗震数值确定方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、三维自由场非线性地震效应分析：
S1.1、根据地勘结果提取土层和/或岩层分解坐标数据；
S1.2、利用土层和/或岩层分解坐标数据构建精细化真三维自由场地模型；
S1.3、采用砂土液化本构对精细化真三维自由场地模型中的土层材料参数赋值；
S1.4、计算粘弹性人工边界参数并选择基岩地震动，将粘弹性边界作为边界条件，并在精细化真三维自由场地模型中的基岩处施加地震动一致性输入或非一致性输入；
S1.5、精细化真三维自由场地模型进行计算，获得地震响应分析结果；
S2、提取穿越精细化真三维自由场地模型中长大地下结构所在位置的任意选择间距的位移时程：
S2.1、设置间隔距离，提取间隔距离的地下结构横断面的各个坐标；
S2.2、设置精度参数n，提取地下结构横断面各个坐标的四周n个点的位移时程；
S3、地下结构纵向壳-弹簧模型抗震分析：
S3.1、提取地下结构横截面形心坐标；
S3.2、构建三维壳-弹簧模型，其中土弹簧设置于三维壳-弹簧模型中地下结构横断面四周n个点处；
S3.3、将步骤S2.2三维自由场地计算得到的位移时程赋值给土弹簧另一端；
S3.4、三维壳-弹簧模型进行计算，得到长大地下结构纵向地震反应分析结果。


2.根据权利要求1所述的地下结构纵向抗震数值确定方法，其特征在于：步骤S1.1所述的根据地勘结果提取土层和/或岩层分解坐标数据、步骤S2所述的提取穿越精细化真三维自由场地模型中长大地下结构所在位置的任意选择间距的位移时程、步骤S3.1所述的提取地下结构横截面形心坐标以及步骤S3.4中位移时程赋值过程，分别通过Python编译实现。


3.根据权利要求1所述的地下结构纵向抗震数值确定方法，其特征在于：步骤S1.2所述的精细化真三维自由场地模型通过以下过程建立：
S1.2.1、定义隧道模型轴线上的节点；
S1.2.2、定义隧道模型所需单元；
S1.2.3、定义材料性质、界面属性；
S1.2.2、定义模拟接头部位的节点与该管节端点之间的约束关系；
S1.2.2、将上述各部件组装为隧道模型，用于计算分析。


4.根据权利要求1所述的地下结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮滨，吉瀚文，叶宜培，贺鸿俊，苗雨，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42