【摘要】：提出基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法的輸水隧道地震動響應并行數值分析方法,采用ALE方法模擬內水和隧道的相互作用,提出基于耦合負載均衡的并行計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,建立內水-隧道-土體耦合的全三維數值模型,分析其在非一致地震激勵下的動力響應。模型中考慮材料非線性、接觸及流固耦合非線性等實際情況,并采用PML(Perfectly Matched Layer)建立人工邊界模擬無限區(qū)域。在曙光5000A超級計算機上,利用所提方法,完成該大規(guī)模非線性問題的求解。通過與附加質量法對比,驗證ALE方法模擬內水-隧道耦合的可行性;分析輸水隧道地震激勵下的應力及變形情況;討論內水量及變形縫對隧道動力響應的影響;分析并行計算效率。結果表明:環(huán)向應力較大值出現在靠近工作井的截面,隧道結構滿足強度要求;隧道截面變形量處于安全范圍內;滿水隧道較空隧道承受更大應力;變形縫可以降低隧道的動力響應;所提并行計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)點復制，并分配到各共享分區(qū)；進而，將其余未參與耦合的單元按照空間坐標位置分布到對應子區(qū)域中，直到滿足分割收斂條件；最后將各分區(qū)模型導入求解器進行并行計算。2數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。本文根據青草沙隧道結構及實際地質資料建立了三維內水-隧道-土體耦合動力仿真模型，并選定24個典型截面，如圖2所示。圖3為仿真模型局部精細結構。整體全三維有限元模型(圖2(a))包含單元約167萬，節(jié)點約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)點厚殼單元離散；工作井及其附屬結構采用八節(jié)點六面體單元離散；隧道內水采用基于ALE描述的八節(jié)點六面體單元離散；變形縫也采用八節(jié)點厚殼單元離散；土體根據實際地質情況建立、分層并用八節(jié)點六面體300m5150m13280mPML邊界層(a)整體模型(b)隧道模型圖2三維內水-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-內水耦合示意(c)工作井-土體耦合及變形縫示意圖3數值模型局部細節(jié)Fig.3Localdetailsofsimulationmodel單元離散，為節(jié)省計算資源，土體網格采用粗網格與精細網格結合的方式進行離散，如圖3(a)所示。為準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。該材料模型的應力可由應變率表示為：R0()()()dttCt(13)其中：R12()1()πCtCEt(14)式中：滯回阻尼系數π/atan(10)2.14，其中為

界；然后，根據分區(qū)邊界，將邊界共享節(jié)點復制，并分配到各共享分區(qū)；進而，將其余未參與耦合的單元按照空間坐標位置分布到對應子區(qū)域中，直到滿足分割收斂條件；最后將各分區(qū)模型導入求解器進行并行計算。2數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。本文根據青草沙隧道結構及實際地質資料建立了三維內水-隧道-土體耦合動力仿真模型，并選定24個典型截面，如圖2所示。圖3為仿真模型局部精細結構。整體全三維有限元模型(圖2(a))包含單元約167萬，節(jié)點約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)點厚殼單元離散；工作井及其附屬結構采用八節(jié)點六面體單元離散；隧道內水采用基于ALE描述的八節(jié)點六面體單元離散；變形縫也采用八節(jié)點厚殼單元離散；土體根據實際地質情況建立、分層并用八節(jié)點六面體300m5150m13280mPML邊界層(a)整體模型(b)隧道模型圖2三維內水-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-內水耦合示意(c)工作井-土體耦合及變形縫示意圖3數值模型局部細節(jié)Fig.3Localdetailsofsimulationmodel單元離散，，為節(jié)省計算資源，土體網格采用粗網格與精細網格結合的方式進行離散，如圖3(a)所示。為準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。該材料模型的應力可由應變率表示為：R0()()()dttCt(13)其中：R12()1()πCtCEt(14)式中：滯回阻尼系數π/atan(10)2.14，其中為阻尼比；C
【作者單位】： 上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室;上海交通大學機械與動力工程學院;上海市隧道工程軌道交通設計研究院;
【基金】：國家863高技術研究發(fā)展計劃項目(2012AA01AA307) 國家自然科學基金項目(11272214,51475287)
【分類號】：TV312;TV672.1

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本文編號：2545047