（机械设计及理论专业论文）车流荷载作用下盾构隧道结构动力响应及并行算法研究.pdf

e 海交通大学博e 学位论文摘要 车流荷载作用下盾构隧道结构动力响应及并行算法研究 摘要 随着交通量不断增加、车流运行速度不断提高、荷载幅度的加大， 隧道结构的动力问题日益突出，对车流通过隧道时由于隧道振动和变 形导致应力重分配而产生的结构安全性、动力承载力和使用可靠性等 已称为人们广泛关注的重要问题。通过对隧道结构在运行车流作用下 进行动力响应分析，可直接计算得到隧道结构在以不同速度、不同交 通密度运行的车流作用下的衬砌管片应力、管片联结螺栓应力以及最 大竖向加速度等等。这些动力响应分析结果可直接用于隧道结构特别 是新型隧道的设计。另一方面，公路车辆在隧道类地下结构通过时， 会引起结构的振动，对隧道衬砌的安全性会产生影响。 运行车流作用下结构动力分析的研究涉及到结构工程学、交通工 程学、车辆动力学等多个工程领域。要研究运行车流作用下隧道结构 的动力响应，就要对车流运行过程中作用于路面的荷载进行仿真计算。 本文把交通工程学领域的微观交通流模型引入到车辆动力学和结构工 程学领域，分别建立了基于跟驰模型和元胞自动机模型的车流荷载数 学模型。此外对路面不平整引起的车辆动荷载进行了分析，车辆振动 模型分别采用四分之一车身结构的两自由度模型和步进式悬架车辆振 动系统，并进行了比较分析。 在仿真得到隧道结构上的车流荷载后，采用全三维非线性有限元 建模方法，建立了上海复兴路盾构隧道总体有限元模型。整体有限元 模型中节点数超过了4 0 0 万。有限元模型中考虑了土体的材料非线性 特性，采用三维动态接触模型建立了管片的接头模型、衬砌环与衬砌 环之间以及衬砌管片与土体之间的边界条件非线性问题，能够获得更 加接近真实的结构响应。 建立了盾构隧道的有限元模型后，对模型中的参数设置进行了试 验验证。结合上海隧道工程股份有限公司施工技术研究所于1 9 9 9 年对 双圆盾构隧道衬砌模型试验及结构分析的结果，提出了混凝土衬砌结 构三维有限元计算模型，采用显式算法对六点集中加载工况下混凝土 衬砌环有限元模型的应力场分布与变形进行了计算分析。结构应用三 上海交通大学博e 学位论史 摘要 维接触模型和算法考虑了管片接头的不连续性对衬砌应力和变形性质 的影响。通过研究发现：双圆盾构隧道管片变形、内力试验结果与计 算吻合较好，变化趋势与变化规律一致。最后两者对比分析，上海复 兴路盾构隧道管片有限元模型建模方法和材料参数合理、可靠。 采用三维非线性有限元建模技术建立的盾构隧道总体有限元模型 规模巨大，具有系统非线性特性，此外车流荷载作用是一种时间历程。 盾构隧道结构动力响应的实质是一个超大规模非线性系统的响应计算 问题，串行计算技术无法胜任此工作。而现有结构动力学并行算法以 各节点的自由度数均衡为分区策略，没有考虑每个节点的计算量可能 不同，从而影响并行计算效率。本文根据盾构隧道结构动力响应数值 模拟的要求，以及结合上海超算中心曙光4 0 0 0 a 计算机的体系结构特 点，对盾构隧道进行合适的分区，设计合理的分区方法，提出了各节 点计算量均衡的区域分解并行计算方法，并把该方法分别应用到双圆 盾构隧道有限元模型和上海复兴路盾构隧道有限元模型上。 在上述前提工作的基础上，对车流荷载作用下的上海复兴路盾构 隧道进行了结构动力响应分析。首先阐述了显式非线性有限元计算方 法及其关键技术，其中包括显式算法计算流程、时步控制、沙漏控制 等。然后介绍了车流荷载在盾构隧道有限元模型上的施加方法，包括 轮胎的接地形状及接地面积等。最后对运行车流作用下的盾构隧道进 行了动力响应分析，分析结果可为隧道的结构设计等提供参考。 关键词：车流荷载，元胞自动机，并行区域分解，盾构隧道，结构动 力响应 上海交通大学博t 学位论文摘要 s t r u c t u r a ld y n a m i cr e s p o n s ea n dp a r a l l e l a l g o r i t h ms t u d yo fs h i e l dt u n n e lu n d e r t r a f f i cf l o wl o a d s a b s t r a c t 、i mt h ei n c r e a s eo ft r a f f i c v e h i c l ev e l o c i t ya n dv e h i c l ec a r r y i n gc a p a c i t y , t h e d y n a m i cp r o b l e m so ft u n n e ls t r u c t u r e sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t n l es t r e s s r e d i s t r i b u t i o nw o u l do c c u rd u et ot u l l e lv i b r a t i o na n dd e f o r m a t i o nw h e nt r a f f i cf l o w g o i n gt h r o u g ht h et u n n e l s ，w h i c hw o u l dp r o d u c et h ep r o b l e m so fs t r u c t u r a ls e c u r i t y , d y n a m i cl o a dc a p a c i t ya n dr e l i a b i l i t y 1 1 尬s t u d yo fs t r u c r l t a ld y n a m i ca n a l y s i su n d e r m o v m gv e h i c l ef l o wd e a l sw i t hs t r u c t u r a le n g i n e e r i n g t r a f f i ce n g i n e e r i n g , v e h i c l e d y n a m i c se t c 1 1 1 es t r u c t u r a ld y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sr e s u l t sc a nb eu s e dt ot h ed e s i g n o f n e ws t y l et u n n e ls t r u c t u r e n em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st os i m u l a t et h et r a f f i cf l o wl o a d so np a v e m e n tw h e n s t u d y i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft u n n e ls t r u c t u r eu n d e rm o v i n gt r a f f i cf l o w 1 1 1 e a c c i d e n t a lp a v e m e n t sc o u l db r i n gd i s p l a c e m e n td i s t u r b a n c et ot h ev e h i c l e sm o v i n go n t h e m ，a n dt h ei r r e g u l a rd i s t u r b a n c ec a u s e dt h ev i b r a t i o no ft h ev e h i c l e ，w h i c hm a d et h e v e h i c l e sp r o d u c ea d d i t i o n a ld y n a m i cl o a d so np a v e m e n td u r i n gv e h i c l e sr u n n i n g 。n l e v e h i c l ed y n a m i cl o a d sw e r et h em a i nr e a s o nt h a tc a u s e dt h ep a v e m e n tf a i l u r e 1 1 1 e c o r r e l a t i v es t u d i e sc o n c e n t r a t e do nt h ed y n a m i cl o a do fs i n g l ev e h i c l eo np a v e m e n t ， w h i l et h eu n s t a b l et r a f f i cf l o wl o a d sw o r k e do np a v e m e n ta c t u a l l y a i m e da tt h e e n g i n e e r i n gp r o b l e m , t h em i c r o s c o p i ct r a f f i cf l o wm o d e l sw e r ei n t r o d u c e di nt h er e a l m o fv e h i c l ed y n a m i c sa n ds t r u c t u r a le n g i n e e r i n g 1 1 1 ec a r - f o l l o w i n gm o d e la n dc e l l u l a r a u t o m a t am o d e lw e r eu s e dt os i m u l a t et h ev e l o c i t i e sa n dr e l a t i v ed i s t a n c e so fe v e r y v e h i c l eo np a v e m e n t p s d ( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ) w a su s e dt od e s c r i b et h es t o c h a s t i c c h a r a c t e r i s t i co fp a v e m e n tr o u g h n e s s t h e n , t h eq u a r t e rv e h i c l ev i b r a t i o ns y s t e ma n d w a l k i n g - b e a ms u s p e n s i o nm o d e lw e r eu s e dt oc a l c u l a t et h ev e h i c l ed y n a m i cl o a d c a u s e db yp a v e m e n tr o u g h n e s si nm a t l a b s i m u l i n k a n dt h ew a l k i n g - b e a ms u s p e n s i o n h a saw o r s ee f f e c to np a v e m e n td a m a g et h a nt h eo t h e rb yc o m p a r i s o n c o n s i s t e do ft h es h i e l dt u n n e l ，s o i la n dr i v e r , al a r g et h r e ed i m e n s i o ns o l i dm o d e li s c o n s t r u c t e db yu n i g r a p h i c ss o f t w a r ea c c o r d i n gt oa c t u a ls i z ea n dg e o l o g i cc i r c u m s t a n c e t h es h i e l dt u b eh a st w ol i n e s ，n o r t hl i n ea n ds o u t hl i n e e v e r yl i n ei sm a d eu po f7 9 7 l o o p s ，a n de v e r yl o o pc o m p o s e do fe i g h tt u n n e ll i n i n gs e g m e n t s t od e c r e a s et h ee f f e c t o f b o u n d a r yc o n d i t i o n sf a r t h e s t ，t h ew h o l es i z eo f t h i ss o i li sd e t e r m i n e dt ob e1 3 4 0 m x i i i 上海交通大学博b 学位论文 摘要 8 6 0 m 3 0 0 m t h e n , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li sf i n i s h e di nt h ec a es o f t w a r e f o rt h e s h i e l dt u n n e ll i n e ，c o m b i n e dc h a n n e la n dw o r k i n gw e l l ，t h eh e x 8s o l i de l e m e n ti su s e d ， w h i l et e t 4s o l i de l e m e n ti su s e df o rt h es o i l 1 1 1 er o de l e m e n ti su s e df o rc o n n e c t i n g b o l t s a tl a s t t h en u m b e ro fn o d e sa n de l e m e n t si nt h ew h o l ef i n i t ee l e m e n tm o d e l e x c e e d s4 0m i l l i o na n d3 8m i l l i o nr e s p e c t i v e l y d u et ot h ef i n ef i n i t ee l e m e n t 鲥d t h e r e s u l t sp r e c i s i o ni sg u a r a n t e e d a f t e re s t a b l i s h i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，m a t e r i a l n o n l i n e a r i t ya n dc o n t a c ta l ec o n s i d e r e d c o n s i d e r i n gt h ed i v e r s i t yo fd i f f e r e n tp a r t si n t h em o d e l ，s e v e r a lm a t e r i a lm o d e l sw i t hd i s t i n c t i v ec o n s t i t u t i o nr e l a t i o n s h i p sa r e b r o u g h ti nt h er e s e a r c h 1 r i ”m a t e r i a lm o d e i so ft h es o i l 。t h es e a l e dm b b e r s a n dt h e c o n c r e t et u n n e la r e d r u c k e r - p r a g e rm o d e l ，m o o n e y r i v l i n r u b b e rm o d e i ，a n d e l a s t i c - p l a s t i cm o d e lr e s p e c t i v e l ya sw e l la st h es p r i n gm o d e li su s e df o rc o n n e c t i n g b o l t s 1 r i 嵋m a i np a r a m e t e r sf o rt h o s em a t e r i a ln m d e l ss u c h 勰m o o n e y - r i v l i nr u b b e r m o d e lw e r ed i r e c t l yd e d v e df r o me x p e r i m e n tr e s u l t s c o n t a c ti sd y n a m i ci n t e m c t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tp a r t s s u c hd y n a m i ci n t e r a c t i o n e x i s t sb e t w e e nt h es o i la n dt u n n e ll i n i n g s ，t h ec o m b i n e dc h a n n e la n dt u n n e ll i n i n g s ，a n d t h ed i f f e r e n tt u n n e ll i n i n gs e g m e n t s f r o maf i n i t ee l e m e n tp o i n to fv i e w , t h ec o n t a c t e n t i t i e s ，i e n o d e sa n de l e m e n t si nc o n t a c t ，m u s tb ea c c u r a t e l yd e t e c t e d l s - d y n ah a s av e r ye f f i c i e n tc o n t a c ts e a r c ha l g o r i t h m f o rs i m p l i c i t y , t h eb o d i e si nc o n t a c ta r e d e c o m p o s e di nt w op a n s ：t h es l a v ea n dt h em a s t e r , a n di ti sa s s u m e dt h a ts l a v ee n t i t i e s m u s tn o tg ot h r o u g hm a s t e rs u r f a c e s ，i e s l a v e sn o d e sm u s tn o tp e n e t r a t em a s t e r s e g m e n t s w h e r eas e g m e n ti sas h e l ls u r f a c eo ras i d e - s u r f a c eo f av o l u m ee l e m e n t 1 1 l e s l a v eb o d yu s u a l l yc o r r e s p o n d st ot h ef i n e s tm e s hb o d yo rt h es o f t e s tm a t e r i a lb o d y h e r e ，t h et u n n e ls e g m e n ti ss l a v eb o d y , a n dt h es o i li sm a s t e rb o d y a l lt h e s ec o n t a c t s t y l e sw e r et r e a t e da sa u t o m a t i cs u r f a c e t o s u r f a c es t y l e a c c u r a t em o d e l i n go fc o n t a c t i n t e r f a c e sb e t w e e nb o d i e si sc m c i a lt ot h ep r e d i c t i o nc a p a b i l i t yo ft h ef i i l i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n s t h e r ea r es e v e r a lc o n t a c t - r e l a t e dp a r a m e t e r si nl s d y n at h a tc a t lb eu s e d t om o d i f yo r , i nm a n yc a s e s ，i m p r o v ec o n t a c tb e h a v i o r , s u c ha sc o n t a c ts l i d i n gf r i c t i o n , p e n a l t ys c a l ef a c t o r s ，v i 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na s s o c i a t e dw e l lw i t ht e s tr e s u l t s t h e r e f o r e ，t h em o d e l i n gm e t h o d sa n d m a t e r i a lp a r a m e t e r ss e t t i n g so fs h a n g h a if u x i n gr o a ds h i e l dt u n n e lf i n i t ee l e m e n t m o d e la r er e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e b yi n t r o d u c i n gt h r e e d i m e n s i o n a la n dn o n l i n e a rm o d e l i n gm e t h o d ，t h en o d e sa n d e l e m e n t sn u m b e ri nt h es h i e l dt u n n e lf em o d e le x c e e d s4 0m i l l i o na n d3 8m i l l i o n r e s p e c t i v e l y t h u s ，t h es h i e l dt u n n e ls t r u c t u r a lr e s p o n s ea n a l y s i su n d e rt r a f f i cf l o wl o a d s c a nb ec o n s i d e r e da sat r a n s i e n tr e s p o n s ec o m p u t i n go fag r a n ds c a l ea n dn o n l i n e a r s y s t e m h o w e v e r , i tn e e d sg r e a tc a p a c i t yd a t ae x c h a n g ea n ds t o r a g ef o rt h et r a n s i e n t r e s p o n s ec o m p u t i n go ft h eg r a n ds c 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r p r o c e s s o r se x c h a n g eb o u n d a r yd a t ab yu s i n ge x p l i c i tc o m m u n i c a t i o nt o o l s ， s p e c i f i c a l l y , m p i ( m e s s a g ep a s s i n gi n t e r f a c e ) 1 1 1 es o l v i n gp r o c e s so fd y n a m i cd o m a i n d e c o m p o s i t i o nm e t h o di si l l u s t r a t e di nt h ef i g u r eb e l o w 上海交通大学博b 学位论文摘要 f o rd o m a i nd e c o m p o s i t i o nm e t h o d s ，r e c u r s i v ec o o r d i n a t eb i s e c t i o n ( r c b ) m e t h o d i su s e d r c bi sa t t r a c t i v ea sad y n a m i cl o a d b a l a n c i n ga l g o r i t h mb e c a u s ei t i m p l i c i t l y p r o d u c e si n c r e m e n t a lp a r t i t i o n s i nr c b ，t h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i ni sf h - s td i v i d e di n t o t w or e g i o i l sb yac u t t i n gp l a n eo r t h o g o n a lt oo n eo ft h ec o o r d i n a t ea x e s s ot h a th a l ft h e w o r k l o a di si ne a c ho ft h es u b r e g i o n s t h es p l i t t i n gd i r e c t i o 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l yg e n e r a t e d c o n s i d e r i n gt h es t r u c t u r a lf e a t u r eo ft h es h i e l dt u n n e l 稍dt i m e - c o n s u m i n gc o n t a c t d e t e c t i o na n dc o m p u t a t i o n ，t h ep a r t i t i o nm e t h o db a s e do nc o n t a c td e t e c t i o nb a l a n c ei s p u tf o r w a r di nt h i sp a p e r i tk e e p st ot h ef o l l o w i n gr u l e s ：f i r s t , e v e r ys u b d o m a i nh a s b a l a n c e dc o n t a c td e t e c t i o na n dc o m p u t a t i o n t h e n , m i m m i z et h ec o m m u n i c a t i o n s b e t w e e nt w os u b d o m a i n s a tl a s t ，t h ec o n v e r g e n tv e l o c i t yo f e v e r ys u b d o m a i ns h o u l db e i n c r e a s e dm o s t l y a tt h ee n d i n go ft h i sp a p e r , t h es t r u c t u r a ld y n a m i cr e s p o n s eo fs h i e l dt u n n e lu n d e r u n s t a b l et r a f f i cf l o wl o a d sh a sb e e na n a l y z e d f i r s to fa l l ，t h e e x p l i c i ta l g o r i t h m c o m p u t a t i o n a lf l o w , t i m e s t e pc o n t r o la n dh o u r g l a s sc o n t r o lw e r ei n t r o d u c e d t h e n , t h i s p a p e rp r e s e n t e dt h ea p p l i c a t i o nm e t h o do ft r a f f i cf l o wl o a d so ns h i e l dt u n n e lp a v e m e n t , w h i c hi n c l u d e dt h et y r em o u l a g es h a p ea n da r e a t h ec o m p u t a t i o n a lv e h i c l eu s e db j l 3 0 a n di t sp a r a m e t e r sh a v eb e e ng i v e n b a s e do na l la b o v e ，t h es t r u c t u r a lr e p o n s ea n a l y s i s o fs h i e l dt u n n e lu n d e rt r a f f i cf l o wl o a d sw a sc o m p l e t e d , a n dt h er e s u l t sc a np r o v i d e r e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g no f t h es h i e l dt u n n e l k e yw o r d s ：t r a f f i cf l o wl o a d s ，c e l l u l a ra u t o m a t a , p a r a l l e ld o m a i nd e c o m p o s i t i o n , s h i e