基于ALE的大型输水隧道地震动响应并行数值分析

发布时间：2019-10-02 18:21

【摘要】：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。
【图文】：

内水,土体,仿真模型,隧道

釐ㄇ鈌虮呓纾蝗缓螅嘤獐莘智釪?界，将边界共享节点复制，并分配到各共享分区；进而，将其余未参与耦合的单元按照空间坐标位置分布到对应子区域中，直到满足分割收敛条件；最后将各分区模型导入求解器进行并行计算。2数值模型上海青草沙输水隧道为14km双线隧道，分东西两线，分为岛域(长兴岛)、过江域(长江)和陆域(浦东新区)三段。青草沙隧道为上海市超过1100万居民提供引用水资源，其地震安全性尤为重要。本文根据青草沙隧道结构及实际地质资料建立了三维内水-隧道-土体耦合动力仿真模型，并选定24个典型截面，如图2所示。图3为仿真模型局部精细结构。整体全三维有限元模型(图2(a))包含单元约167万，节点约191万。其中，隧道衬砌通过刚度折减建立等效连续模型，并用八节点厚壳单元离散；工作井及其附属结构采用八节点六面体单元离散；隧道内水采用基于ALE描述的八节点六面体单元离散；变形缝也采用八节点厚壳单元离散；土体根据实际地质情况建立、分层并用八节点六面体300m5150m13280mPML边界层(a)整体模型(b)隧道模型图2三维内水-隧道-土体耦合动力仿真模型Fig.23Dwater-tunnel-soilcouplingmodel(a)隧道-土体耦合示意(b)隧道-衬砌-内水耦合示意(c)工作井-土体耦合及变形缝示意图3数值模型局部细节Fig.3Localdetailsofsimulationmodel单元离散，为节省计算资源，土体网格采用粗网格与精细网格结合的方式进行离散，如图3(a)所示。为准确模拟土体在地震荷载下的行为，本文采用Biot滞回材料模型模拟其在地震循环荷载下的粘弹特性。该材料模型的应力可由应变率表示为：R0()()()dttCt(13)其中：R12()1()πCtCEt(14)式中：滞回阻尼系数π/atan(10)2.14，其中为

计算资源,数值模型,粗网格,土体

界；然后，根据分区边界，将边界共享节点复制，并分配到各共享分区；进而，将其余未参与耦合的单元按照空间坐标位置分布到对应子区域中，直到满足分割收敛条件；最后将各分区模型导入求解器进行并行计算。2数值模型上海青草沙输水隧道为14km双线隧道，分东西两线，分为岛域(长兴岛)、过江域(长江)和陆域(浦东新区)三段。青草沙隧道为上海市超过1100万居民提供引用水资源，其地震安全性尤为重要。本文根据青草沙隧道结构及实际地质资料建立了三维内水-隧道-土体耦合动力仿真模型，并选定24个典型截面，如图2所示。图3为仿真模型局部精细结构。整体全三维有限元模型(图2(a))包含单元约167万，节点约191万。其中，隧道衬砌通过刚度折减建立等效连续模型，并用八节点厚壳单元离散；工作井及其附属结构采用八节点六面体单元离散；隧道内水采用基于ALE描述的八节点六面体单元离散；变形缝也采用八节点厚壳单元离散；土体根据实际地质情况建立、分层并用八节点六面体300m5150m13280mPML边界层(a)整体模型(b)隧道模型图2三维内水-隧道-土体耦合动力仿真模型Fig.23Dwater-tunnel-soilcouplingmodel(a)隧道-土体耦合示意(b)隧道-衬砌-内水耦合示意(c)工作井-土体耦合及变形缝示意图3数值模型局部细节Fig.3Localdetailsofsimulationmodel单元离散，，为节省计算资源，土体网格采用粗网格与精细网格结合的方式进行离散，如图3(a)所示。为准确模拟土体在地震荷载下的行为，本文采用Biot滞回材料模型模拟其在地震循环荷载下的粘弹特性。该材料模型的应力可由应变率表示为：R0()()()dttCt(13)其中：R12()1()πCtCEt(14)式中：滞回阻尼系数π/atan(10)2.14，其中为阻尼比；C
【作者单位】：上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室;上海交通大学机械与动力工程学院;上海市隧道工程轨道交通设计研究院;
【基金】：国家863高技术研究发展计划项目(2012AA01AA307) 国家自然科学基金项目(11272214,51475287)
【分类号】：TV312;TV672.1

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