CN114139417A - 交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑评价技术领域，公开了一种交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，包括：通过足尺模型试验、三维数值模型、理论研究，并结合现场试验验证，确定软土地基中典型预制管廊结构在交通荷载作用下的动力响应规律，明确交通荷载作用下软土‑管廊***能量传递过程，得到软土地基中预制管廊结构受力机理、变形、强度和刚度特征；构建交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性分析模型，确定软土地基预制综合管廊结构的分析体系和计算方法，确定控制指标，进行交通荷载下软土地基中电力管廊非线性动力与环境介质耦合的评价。本发明能够为管廊设计、施工及结构性态风险评估等提供理论依据。

Description

交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法

技术领域

本发明属于建筑评价技术领域，尤其涉及一种交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法。

背景技术

目前：随着城市化进程的发展，城市地下综合管廊建设及其管理技术日臻完善，但目前对城市综合管廊在设计和施工技术等方面的研究仍不***，成果较少，尚处于摸索和积累经验阶段。地下综合管廊建设中还存在一些问题，制约其快速发展。地下综合管廊的标准化、模块化是推广地下管廊预制拼装技术的重要前提，然而我国相应的标准体系尚不完善。预制管廊并没有完整的可遵循的设计标准和验收规范。

随着我国经济与交通事业的发展，城市交通运输突出表现为交通量增大、载重增加(甚至超载)、车速加快等新特点，交通荷载的上述新特点也给地下管廊的正常使用与安全运行带来了严重的挑战。因此，需要对地下管廊在交通荷载作用下的力学性状予以更多的关注。

交通荷载的重复作用会使软土地基产生不可恢复的永久沉降变形。各地段上部荷载的不同及不同断面抗不均匀形变能力差异等，都有可能导致地下管廊产生不均匀沉降或横向位移，导致管廊伸缩缝错台、度张开或挤压；单侧沉降或加固不均等因素可能导致管廊发生横向扭转病害。这样可能使管廊混凝土结构局部应力过大，结构内力和变形可能超越极限。因此，考虑软土地区交通载荷等因素影响，深入研究地下管廊的受力变形问题及不同结构等应对措施，具有重要的理论意义和工程应用价值。

至目前为止，已有相关研究成果，主要集中在管涵、地下隧道方面。现有技术1开展了隧道纵向相似模型试验，研究了局部均布荷载作用下隧道下卧土层的分布及其性质、地表不同超载大小及作用位置、拼装方式等对隧道结构受力变形的影响。现有技术2通过相似结构模型试验模拟下卧不均匀土层、地表局部作用均布荷载等，分析了各种情况下土层的纵向沉降形态。现有技术3釆用有限元数值模拟方法，对隧道纵向沉降原因、产生不均匀纵向沉降后隧道结构的受力变形机制和防水失效机制进行了分析。现有技术4认为沉管隧道变形主要是由于软土的再压缩变形产生，土体内部的孔隙水压力变化和水的渗流会对后期沉降产生较大影响。现有技术5对纵向弯曲造成的越江隧道不均匀沉降的控制指标值进行了研究，同时，针对环向错台造成的越江隧道纵向不均匀沉降，研究了相对弯曲的合理取值。上海市对地铁盾构隧道的纵向曲率半径以及相对弯曲提出了明确的控制值。现有地基沉降容许值的规定差异较大，很多容许值的取得是建立在工程经验基础上，目前有关地下管廊的相关研究成果很少。

在地下管涵的相关研究领域，现有技术6通过一系列岩心机试验，研究了直径为1400mm的钢筋混凝土管受到交通荷载850kN作用下的响应情况，并考虑了覆土层深度、交通荷载的位置和大小对管道弯矩的影响。现有技术7研究了非均匀场地中管线动力的响应，发现土体的刚度发生变化时，管线接头位置的位移会变大。现有技术8用静态Mindlin解与平面动应变相结合的方法对不同介质中的管线进行了分析，发现介质变化的位置管线的应力最大。现有技术9采用数值模拟的方式对地下箱型结构承受土压力的变化规律进行了研究。现有技术10在弹性理论基础上,对交通荷载作用下软土地基中管道受力特性分析模型进行了理论研究。现有技术11采用Pasternak双参数地基模型建立了较为合理的考虑地基差异沉降的埋地管涵纵向力学模型。其研究表明：管涵结构的挠度、转角、弯矩、剪力均在差异沉降处有突变，且各要素受不均匀沉降的影响范围有限。现有技术12等分析了不同软土地基弹性模量对特长涵洞纵向应力和竖向位移的影响。现有技术13研究了钢波纹管涵洞的受力与变形特性，分析了不同填土高度和行车荷载作用下的受力与变形规律，探明其在不同填土高度作用下管顶及其正交位置为受力与变形最不利，提出高填土情况下以涵洞顶部土压力控制设计。现有技术14对土体自重作用、静荷载作用和车辆荷载作用下埋地管道的力学性状和变形特性进行一系列研究，认为埋地管道理论上存在一个最佳埋深，埋地管线危险点与管道两端约束条件有关。

土层的不均匀性，地面荷载的不对称性等会导致地下结构承受的荷载非对称，造成结构变形及内力大小的变化，甚至引起地下结构整体向一边位移。现有技术15研究了隧道侧部不同松动角度、不同松动程度下隧道横向承载能力和隧道结构形态的变化模式等相关问题。现有技术16通过足尺试验研究了通缝拼装衬砌的承载能力，得到顶部超载和双侧卸载工况下隧道结构的承载力安全系数，认为双侧卸载情况下隧道结构受力更为不利。现有技术17通过采用ABAQUS建立三维实体模型，研究了地面压载、土体侧向压力系数和土体抗力系数对隧道横向变形发展的影响，提出了以隧道直径变化作为隧道横向结构性态发展的判定指标。现有技术18在假设隧道上覆竖向荷载保持不变、水平荷载变小的情况下，研究了隧道水平直径变形量与接缝最大张开量、最大混凝土应力等之间的关系，提出了隧道横断面变形控制限值。关于地表非对称荷载的影响，***性的研究成果不多。现有技术19通过大量的现场观测,建立了巷(隧)道的“支护体—围岩”相互作用模型,引入非对称荷载因子和结构分析方法,研究了不同类型支护体在非对称荷载条件下的内力及变形性能,讨论了非对称荷载对支护体承载能力和可缩性能的影响,并据此给出了该条件下巷(隧)道支护体的设计要素。现有技术20研究表明，岩性较差或者较为破碎的围岩以及宽度较大的巷道受非对称荷载比值的影响较大，且巷道底压会有一定的偏转现有技术21运用有限元软件构建偏压荷载作用下钢波纹管涵洞的三维模型，对比研究偏压荷载与对称荷载作用下钢波纹管涵洞的受力变形特性及管周土压力，明确了偏压荷载作用时波纹管水平变形和竖直变形的最值及形态，偏压荷载的存在会对管涵的稳定性产生较大影响。

至目前为止，国内外对地下综合管廊这一相对新型的地下结构的***研究较少。现有技术22从管廊埋深、土体刚度、传力方法等因素对地下管廊与土体的相互作用进行了理论推导与分析。现有技术23对大开挖对邻近结构的影响作了研究分析，认为大开挖引起的沉降变形是影响结构的刚度的重要原因。刚度过强的结构更容易产生更大的弯矩，对结构不利。现有技术24对管廊布置方案作了详细阐述，包括管廊埋置深度、设置位置、建设方式等因素对社会与环境的影响，并分别对各种形式管廊的优劣进行了详细分析。现有技术25介绍了在既有建筑结构下采用盾构技术建设管廊，认为可以采用截断墙来控制因地基沉降引起的既有结构的变形；提出一种确定地下综合管廊施工引起地层变形区域范围的方法，认为施工所影响区域的宽度大小取决于管廊隧道的施工具体参数、围岩土体的力学特性等。

国内在地下综合管廊变形及其控制等研究方面。现有技术26通过足尺试验对预制预应力综合管廊进行研究，提出了预制预应力综合管廊接头的设计方法。结果表明：在四侧壁等值对称荷载作用下，接头具有较好的延性、变形能力和安全预兆，但预制拼装综合管廊拼缝处防水性能及整体受力性能较弱,其试验条件并不能反应实际结构受力状态。现有技术27用模糊理论对综合管廊的安全性进行评估。其中考虑了综合管廊现有的条件，例如钢筋腐蚀、混凝土开裂、结构渗水、以及土壤液化等因素，认为承载能力随钢筋腐蚀程度的增加而降低，土壤液化对结构沉降影响明显。现有技术28等对管廊连接节点及整体横截面进行了受力性能试验研究，但对直接影响结构整体性能的叠合面的粘结性能，以及沿管廊纵向地基不均匀沉降、滑移和地震作用下的管廊纵向连接性能未有研究。现有技术29基于连续介质有限元法，利用ABAQUS建立土体和管廊的三维有限元模型，对土体及管廊在正常使用阶段的应力分布和位移变化进行数值模拟计算，并对管廊在不同埋深情况下关键部位的应力和位移变化进行对比分析。现有技术30分析了综合管廊结构主要几种计算模式的各自特点，并采用有限元软件(Midas Gen)分别对一拟建的单舱和双舱室地下管廊结构进行静力分析，但未考虑车辆动荷载特性及其长期影响。

关于地下综合管廊的动力特性，成果主要集中在地震作用研究方面。现有技术31分析了综合管廊在地震条件下受力特点，得出其震害是由周围土体的相对变形与地震波共同作用导致的，表示土壤的运动和地震的激励是管廊之类的地下空间结构失稳的首要原因。现有技术32对由于液化导致的综合管廊破坏进行了研究；现有技术33研究了综合管廊与周围土体的土-结相互作用机理，并依据其成果提出了加固方案。现有技术34探讨了施工方法优化对综合管廊抗震性能的改善作用。现有技术35对横向地震激励下软土地基中隧道动力响应进行了研究。现有技术36通过纵向地震激励实验，分析了地下综合管廊振动台模型实验现象。现有技术37利用试验和数值模拟技术进行了综合管廊的地震响应分析，结果表明：综合管廊的动力反应存在相当明显的土结相互作用。现有技术38利用FLAC软件，采用Kobe地震动输入对液化土中的地下综合管廊进行地震响应分析，探索了土体加速度、超孔压比、管廊和土体的变形以及结构内力的变化规律。现有技术39利用ABAQUS软件，对综合管廊、周围土体以及沟内支墩管道***进行了三维地震响应分析。现有技术40开展了地下综合管廊大型振动台模型试验研究,研究了模型箱的边界效应、土加速度响应、变形响应和接头的动响应。现有技术41研究结果表明:在相同的折减系数条件下,与静力作用相比,动力作用下的结构内力明显增大。已有成果可为地震作用下预制拼装综合管廊受力性能的研究与设计提供基础理论依据。关于交通荷载及其对地下结构的影响。现有技术42从理论和数值上研究了平面应变状况下软土中的双向隧道受地面荷载的影响，用有限元软件模拟了持续加载于地面上的荷载和光滑界面条件。现有技术43研究认为轮载变化对路基内竖向附加应力的影响较大。软土地基中行车荷载引起的动响应的影响深度一般在6～10m范围内。现有技术44研究认为过大的超载率以及过快、过慢的行车速度都会引起路基响应增强，对道路结构体系的影响较大。荷载的叠加效应随着深度增大而明显。

现有研究表明：动力学激扰引起的振陷是软土隧道沉降不容忽视的诱因。上海打浦路隧道就曾因地面超载引起纵向不均匀沉降而导致一度漏水严重。现有技术45将车辆荷载模拟为自重与正弦荷载之和，研究了浅埋隧道衬砌受车辆荷载的响应。现有技术46研究了行车荷载对浅埋黄土隧道稳定性的影响。现有技术47获得了地表荷载及围岩覆土下浅埋隧道的应力情况，分析了隧道半径和地表荷载等对围岩稳定性影响的规律。地下综合管廊作为浅埋地下结构，其车辆动力作用更加显著。因此，在地下综合管廊设计时要充分考虑车辆荷载的实际影响。然而，至今为止，在交通荷载作用下地下综合管廊的动力特性研究方面，未见有代表性的成果。

从已有相关研究成果可以看出，目前关于交通荷载下隧道动力响应的研究，也主要集中在简单的轴对称荷载下的动力分析方面，这与一般交通荷载(通常是非轴对称)作用下隧道动力响应相差较远。由于修建地下管廊和修建地铁、隧道及地下管涵过程较为类似，因此，在实际工作中，往往根据经验、按照与相关标准相等或稍高的标准来修建地下管廊，但地下管廊与地铁、隧道及地下管涵结构，在功能和需求上存在不小差异，其设计标准要求应与其相适应。从受荷模式来看，城市地下管廊埋深浅，以土压作为结构性态的主导控制因素，其受交通荷载扰动大。在软土地质条件下的综合管廊工程，其各结构或部位间的相互影响更加显著。目前，地下综合管廊工程采用的结构计算模型所依据的计算假定与实际情况有一定的差别，也没有考虑结构在不对称荷载作用下的影响，包括不对称荷载作用下的管廊结构横向和纵向变形及内力，未考虑土压力的变化计算。

综上所述，目前,国内外对软土地质条件下地下管廊结构的力学行为响应、各部位的损伤或病害及其机理鲜有深入研究，极少考虑实际交通状态下车辆荷载(尤其是重载)及其冲击作用对浅埋地下管廊结构产生的各种不利影响。对交通荷载作用下运营管廊变形机理及其规律的认识及允许变形控制方法的研究还很欠缺。城市综合管廊工程技术规范中关于综合管廊的设计与施工也未明确规定如何考虑周围车辆荷载等作用。采用何种指标来衡量变形发展过程中的结构安全，控制标准如何确定等问题都缺乏可供工程借鉴的成果，尤其是软土地区的综合管廊结构，其性态的安全性亟待进一步深入研究。预制化已成为我国近年来地下综合管廊结构设计发展的主要方向，这为对交通荷载影响下软土地基中预制综合管廊的力学性状及其控制提出了现实与理论上的需求。因此，***研究交通荷载下软土地基中预制综合管廊的动力响应及其动力相互作用机理是必要的。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术还没有在交通荷载下软土地基中进行电力管廊非线性动力与环境介质耦合的评价方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法。

本发明是这样实现的，一种交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法包括：通过足尺模型试验、三维数值模型、理论研究，并结合现场试验验证，确定软土地基中典型预制管廊结构在交通荷载作用下的动力响应规律，明确交通荷载作用下软土-管廊***能量传递过程，得到软土地基中预制管廊结构受力机理、变形、强度和刚度特征；构建交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性分析模型，确定软土地基预制综合管廊结构的分析体系和计算方法，确定控制指标，进行交通荷载下软土地基中电力管廊非线性动力与环境介质耦合的评价。

进一步，所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法还包括：确定交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性；确定交通荷载下软土地基中预制管廊***能量传递及变形机制；确定交通荷载下软土地基中地下综合管廊分析体系和计算方法，进行交通荷载下软土地基中电力管廊非线性动力与环境介质耦合的评价。

进一步，所述确定交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性包括：基于大比例尺模型试验，确定预制综合管廊典型结构在交通荷载作用下动力相互作用体系的动力响应特性，分别从土层性质、车辆载重、车辆动荷载系数、管廊至车道距离和管廊覆土埋深方面，分析相关参数变化时典型预制拼装管廊结构纵向与横向受力、变形特性及其变化规律，确定其响应作用机理，建立交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性分析模型及理论计算方法。

进一步，所述确定交通荷载下软土地基中预制管廊***能量传递及变形机制包括：在模型试验的基础上，基于能量原理，对软土-管廊非线性***进行三维精细化建模分析，明确研究交通荷载作用下软土-管廊***能量传递过程，确定软土地基中典型预制管廊结构受力变形模式包括管廊典型接头结构的损伤破坏机理。

进一步，所述确定交通荷载下软土地基中地下综合管廊分析体系和计算方法包括：基于弹塑性理论、土-管廊相互作用，分析土压力、预制管廊结构内力随时间的变化规律，通过精细化有限元模型数值仿真分析，确定软土地基中预制管廊结构变形、强度和刚度特征，建立软土地基预制综合管廊结构的分析体系、模型和计算方法，确定控制指标。

进一步，所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法包括以下步骤：

步骤一，通过对物理模型进行动力加载试验，分析模型在交通荷载作用下的应力、位移、变形发展模式与破坏机理；

步骤二，确定软土地基条件下预制装配式综合管廊的建模方法，建立地下综合管廊结构力学分析模型；通过三维动力弹塑性有限元分析，分析相关因素影响下软土地基中预制管廊在非对称交通荷载作用下的结构内力随时间的变化特性；

步骤三，对典型接缝进行精细化建模分析，***研究典型接缝在非对称交通荷载作用下的受力和变形，分析管廊接头的损伤破坏机理、接缝破坏模式；

步骤四，建立实体模型，利用物理模拟分析实际交通荷载下预制装配式管廊典型结构的动力响应特征，全面反映实际交通荷载下软土地基中预制管廊三维空间的动力学特征，刻画管廊结构三维全空间中的受力变形特性。

进一步，步骤二中，所述软土地基条件下预制装配式综合管廊的建模方法包括土体本构模型的选取、混凝土损伤塑性模型参数的确定、人工边界条件的建立、土-管廊相互作用的模拟以及交通荷载的输入方法。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，包括下列步骤：

步骤一，通过对物理模型进行动力加载试验，分析模型在交通荷载作用下的应力、位移、变形发展模式与破坏机理；

步骤二，确定软土地基条件下预制装配式综合管廊的建模方法，建立地下综合管廊结构力学分析模型；通过三维动力弹塑性有限元分析，分析相关因素影响下软土地基中预制管廊在非对称交通荷载作用下的结构内力随时间的变化特性；

步骤三，对典型接缝进行精细化建模分析，***研究典型接缝在非对称交通荷载作用下的受力和变形，分析管廊接头的损伤破坏机理、接缝破坏模式；

步骤四，建立实体模型，利用物理模拟分析实际交通荷载下预制装配式管廊典型结构的动力响应特征，全面反映实际交通荷载下软土地基中预制管廊三维空间的动力学特征，刻画管廊结构三维全空间中的受力变形特性。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过足尺模型试验、三维数值模型、理论研究，并结合现场试验验证，深入研究软土地基中典型预制管廊结构在交通荷载作用下的动力响应规律，揭示交通荷载作用下软土-管廊***能量传递过程，探明软土地基中预制管廊结构受力机理、变形、强度和刚度特征。本发明提出交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性分析模型。本发明建立软土地基预制综合管廊结构的分析理论和计算方法，提出设计控制指标，能够为管廊设计、施工及结构性态风险评估等提供理论依据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法原理图。

图2是本发明实施例提供的交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法包括：

通过足尺模型试验、三维数值模型、理论研究，并结合现场试验验证，确定软土地基中典型预制管廊结构在交通荷载作用下的动力响应规律，明确交通荷载作用下软土-管廊***能量传递过程，得到软土地基中预制管廊结构受力机理、变形、强度和刚度特征；构建交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性分析模型，确定软土地基预制综合管廊结构的分析体系和计算方法，确定控制指标，进行交通荷载下软土地基中电力管廊非线性动力与环境介质耦合的评价。

本发明实施例提供的交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法还包括：

确定交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性；确定交通荷载下软土地基中预制管廊***能量传递及变形机制；确定交通荷载下软土地基中地下综合管廊分析体系和计算方法，进行交通荷载下软土地基中电力管廊非线性动力与环境介质耦合的评价。

本发明实施例提供的确定交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性包括：

基于大比例尺模型试验，确定预制综合管廊典型结构在交通荷载作用下动力相互作用体系的动力响应特性，分别从土层性质、车辆载重、车辆动荷载系数、管廊至车道距离和管廊覆土埋深方面，分析相关参数变化时典型预制拼装管廊结构纵向与横向受力、变形特性及其变化规律，确定其响应作用机理，建立交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性分析模型及理论计算方法。

本发明实施例提供的确定交通荷载下软土地基中预制管廊***能量传递及变形机制包括：

在模型试验的基础上，基于能量原理，对软土-管廊非线性***进行三维精细化建模分析，明确研究交通荷载作用下软土-管廊***能量传递过程，确定软土地基中典型预制管廊结构受力变形模式包括管廊典型接头结构的损伤破坏机理。

本发明实施例提供的确定交通荷载下软土地基中地下综合管廊分析体系和计算方法包括：

基于弹塑性理论、土-管廊相互作用，分析土压力、预制管廊结构内力随时间的变化规律，通过精细化有限元模型数值仿真分析，确定软土地基中预制管廊结构变形、强度和刚度特征，建立软土地基预制综合管廊结构的分析体系、模型和计算方法，确定控制指标。

如图2所示，本发明实施例提供的交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法包括以下步骤：

S101，通过对物理模型进行动力加载试验，分析模型在交通荷载作用下的应力、位移、变形发展模式与破坏机理；

S102，确定软土地基条件下预制装配式综合管廊的建模方法，建立地下综合管廊结构力学分析模型；通过三维动力弹塑性有限元分析，分析相关因素影响下软土地基中预制管廊在非对称交通荷载作用下的结构内力随时间的变化特性；

S103，对典型接缝进行精细化建模分析，***研究典型接缝在非对称交通荷载作用下的受力和变形，分析管廊接头的损伤破坏机理、接缝破坏模式；

S104，建立实体模型，利用物理模拟分析实际交通荷载下预制装配式管廊典型结构的动力响应特征，全面反映实际交通荷载下软土地基中预制管廊三维空间的动力学特征，刻画管廊结构三维全空间中的受力变形特性。

本发明实施例提供的软土地基条件下预制装配式综合管廊的建模方法包括土体本构模型的选取、混凝土损伤塑性模型参数的确定、人工边界条件的建立、土-管廊相互作用的模拟以及交通荷载的输入方法。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

1.1研究内容

1)交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性研究

基于大比例尺模型试验，研究预制综合管廊典型结构在交通荷载作用下动力相互作用体系的动力响应特性，分别从土层性质、车辆载重、车辆动荷载系数、管廊至车道距离和管廊覆土埋深等方面，分析相关参数变化时典型预制拼装管廊结构纵向与横向受力、变形特性及其变化规律，探索其响应作用机理，建立交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性分析模型及理论计算方法。

2)交通荷载下软土地基中预制管廊***能量传递及变形机制研究

在模型试验的基础上，基于能量原理，对软土-管廊非线性***进行三维精细化建模分析，深入研究交通荷载作用下软土-管廊***能量传递过程，探明软土地基中典型预制管廊结构受力变形模式包括管廊典型接头结构的损伤破坏机理。

3)交通荷载下软土地基中地下综合管廊分析理论和计算方法研究

在上述研究的基础上，基于弹塑性理论、土-管廊相互作用，***研究土压力、预制管廊结构内力随时间的变化规律，通过精细化有限元模型数值仿真分析，揭示软土地基中预制管廊结构变形、强度和刚度特征，建立软土地基预制综合管廊结构的分析理论、模型和计算方法，提出设计控制指标。

1.2研究目标

本发明通过足尺模型试验、三维数值模型、理论研究，并结合现场试验验证，深入研究软土地基中典型预制管廊结构在交通荷载作用下的动力响应规律，揭示交通荷载作用下软土-管廊***能量传递过程，探明软土地基中预制管廊结构受力机理、变形、强度和刚度特征。提出交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性分析模型。建立软土地基预制综合管廊结构的分析理论和计算方法，提出设计控制指标，以期为管廊设计、施工及结构性态风险评估等提供理论依据。

1.3拟解决的关键科学问题

1)交通荷载作用下软土地基预制管廊非线性***动力响应特性及能量传递机理

为了从本质上理解并掌握交通荷载对软土地基中预制装配式综合管廊结构受力、变形的影响规律，包括荷载特性对管廊结构产生的横向和纵向产生沉降、倾斜、挠曲和扭转，基于模型试验，研究管廊的动力响应特性及软土-管廊非线性***能量传递机理是建立交通荷载下软土地基中综合管廊分析模型的关键。

2)软土地基中综合管廊分析模型及计算方法

基于土-管廊结构相互作用，建立交通荷载作用下软土地基中预制装配式综合管廊结构上的土压力和结构位移变形的联系，构建管廊结构计算优化分析模型及解析方法，是建立交通荷载下软土地基中预制管廊分析理论及设计方法的关键。

2.拟采取的研究方案及可行性分析(包括研究方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明)；

2.1研究方案

本发明拟深入研究交通荷载下软土地基中预制装配式地下综合管廊的受力与变形特性，尤其是非对称交通荷载对管廊结构的影响及相应的变形控制指标，注重研究的基础性、原创性、学科交叉性。

1)、研究方法：

(1)试验研究。基于相似理论和正交试验设计理论，指导室内模型试验设计，通过对物理模型进行动力加载试验，深入研究模型在交通荷载作用下的应力、位移、变形发展模式与破坏机理。

(2)数值模拟研究。在模型试验的基础上，研究软土地基条件下预制装配式综合管廊的建模方法，其中包括土体本构模型的选取、混凝土损伤塑性模型参数的确定、人工边界条件的建立、土-管廊相互作用的模拟以及交通荷载的输入方法等，建立地下综合管廊结构力学分析模型。通过三维动力弹塑性有限元分析，研究相关因素影响下软土地基中预制管廊在非对称交通荷载作用下的结构内力随时间的变化特性。对典型接缝进行精细化建模分析，***研究典型接缝在非对称交通荷载作用下的受力和变形，分析管廊接头的损伤破坏机理、接缝破坏模式。

(3)理论研究。深入分析非对称交通荷载下软土地基中管廊变形破坏从孕育、激发到发展的过程中，***内部各要素之间及其与外部***相互作用之间的非线性特征，采用突变与动力学理论研究该非线性动力***在时空演化过程中的损伤破坏行为。采用强度折减技术计算交通荷载作用下软土地基中预制装配式地下管廊结构的安全系数与永久位移。深入研究地下管廊在交通荷载作用下损伤效应及其规律，结合理论计算结果与试验数据，探明地下管廊***的损伤破坏机制。提出交通荷载下软土地基中综合管廊结构分析与设计方法及控制指标。

2)实验手段

在理论分析的基础上，建立实体模型，利用物理模拟分析实际交通荷载下预制装配式管廊典型结构的动力响应特征，以相互对比、补充和验证，力求全面反映实际交通荷载下软土地基中预制管廊三维空间的动力学特征，从而准确刻画管廊结构三维全空间中的受力变形特性。

3)关键技术

(1)为揭示交通荷载下软土地基中管廊结构整体受力特征，拟制作大比例尺装配式综合管廊结构试验模型，进行动力荷载试验。如何确定相似关系并处理好模型的边界条件等涉及到模型试验的效果与量测精度。

(2)基于非线性理论、软土-管廊相互作用，建立合理的预制装配式管廊三维结构计算力学分析模型，以研究软土地基中管廊结构在交通荷载作用下的非线性动力效应，是能否从本质上揭示预制管廊结构受力变形规律的关键技术之一。

2.2可行性分析

1)在研究基础方面，项目申请人及项目组主要成员长期从事岩土与地下结构变形与稳定性分析、岩土力学数值模拟、工程结构抗震等方面的科研工作，承担或参与过与本发明相关的多项国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、省部级科技攻关项目和其他地厅级项目，在岩土与地下结构变形与稳定分析、多场耦合机理与模型、断裂损伤与渐进破坏理论、数值模拟、工程结构抗震等方面具有较好的理论基础和研究积累。

2)在学术思想方面，本发明研究既重视交通荷载作用下地下管廊的时效宏观力学响应，又重视细观尺度上物理机制和结构特征的演化；既重视三维精细力学物理模型的建模与试验，也强调三维精细数值模型的建模与分析，既重视模型试验研究，又重视理论分析，从而实现模型试验、数值模拟与理论分析的有机融合、宏观与细观的内在统一。

3)在研究方法方面，本发明研究通过吸纳土动力学、地下工程、损伤断裂力学、突变理论及非线性理论等多学科前沿理论成果，采用室内试验、理论分析、数值模拟等综合研究方法，注重理论研究与试验研究相结合、定性描述与定量分析相结合、宏观力学分析与细观机制研究相结合、数值模拟与试验验证相结合，从而为本发明研究取得成功提供了正确的技术途径。

因此，通过项目组的协作攻关，本发明可望在交通荷载作用下软土地基中综合管廊力学行为及软土-结构相互作用机制与设计控制方面取得突破，实现预期研究目标。

3.本发明的特色与创新之处；

3.1本发明的特色

本发明将物理模型试验、三维数值分析、现场试验结合起来，在力学、地下空间工程等理论框架下，开展交通荷载作用下软土地区预制综合管廊的动力特性及软土-管廊动力相互作用研究，在理论上、方法上均具有鲜明的特色。

(1)基于非线性理论、软土-管廊相互作用等理论，提出采用三维精细物理力学模型试验与三维精细数值模型相结合的方法，探寻多参数对管廊结构性能的影响规律，建立交通荷载作用下软土地基中管廊精细化建模理论，通过动力有限元方法实现对管廊破坏机制的模拟，揭示管廊结构及其剪力连接件破坏模式和破坏准则；

(2)针对交通荷载下软土地基中预制综合管廊的动力学问题，采用突变理论、损伤断裂力学与动力学理论，考虑管廊损伤破坏非线性效应与环境介质动力耦合影响，通过理论分析、有限元精细模型分析和试验研究，揭示管廊结构的受力特性和工作性能。从宏观、细观两个层面研究其在交通荷载作用下的破坏机理与性能评价方法，建立预制装配式管廊结构设计理论和方法。

3.2本发明的创新之处

1)首次研究交通荷载下软土地基中预制装配式地下管廊动力反应及软土-管廊动力相互作用，揭示交通荷载下软土地基管廊结构受力变形机理和破坏模式；

2)完善预制装配式综合管廊结构分析理论，提出交通荷载下软土地基中预制综合管廊分析模型和计算技术及设计控制方法。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行***，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，其特征在于，所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法包括：通过足尺模型试验、三维数值模型、理论研究，并结合现场试验验证，确定软土地基中典型预制管廊结构在交通荷载作用下的动力响应规律，明确交通荷载作用下软土-管廊***能量传递过程，得到软土地基中预制管廊结构受力机理、变形、强度和刚度特征；构建交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性分析模型，确定软土地基预制综合管廊结构的分析体系和计算方法，确定控制指标，进行交通荷载下软土地基中电力管廊非线性动力与环境介质耦合的评价。

2.如权利要求1所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，其特征在于，所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法还包括：确定交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性；确定交通荷载下软土地基中预制管廊***能量传递及变形机制；确定交通荷载下软土地基中地下综合管廊分析体系和计算方法，进行交通荷载下软土地基中电力管廊非线性动力与环境介质耦合的评价。

3.如权利要求2所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，其特征在于，所述确定交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性包括：基于大比例尺模型试验，确定预制综合管廊典型结构在交通荷载作用下动力相互作用体系的动力响应特性，分别从土层性质、车辆载重、车辆动荷载系数、管廊至车道距离和管廊覆土埋深方面，分析相关参数变化时典型预制拼装管廊结构纵向与横向受力、变形特性及其变化规律，确定其响应作用机理，建立交通荷载下软土地基中预制综合管廊动力响应特性分析模型及理论计算方法。

4.如权利要求2所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，其特征在于，所述确定交通荷载下软土地基中预制管廊***能量传递及变形机制包括：在模型试验的基础上，基于能量原理，对软土-管廊非线性***进行三维精细化建模分析，明确研究交通荷载作用下软土-管廊***能量传递过程，确定软土地基中典型预制管廊结构受力变形模式包括管廊典型接头结构的损伤破坏机理。

5.如权利要求2所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，其特征在于，所述确定交通荷载下软土地基中地下综合管廊分析体系和计算方法包括：基于弹塑性理论、土-管廊相互作用，分析土压力、预制管廊结构内力随时间的变化规律，通过精细化有限元模型数值仿真分析，确定软土地基中预制管廊结构变形、强度和刚度特征，建立软土地基预制综合管廊结构的分析体系、模型和计算方法，确定控制指标。

6.如权利要求1所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，其特征在于，所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法包括以下步骤：

步骤一，通过对物理模型进行动力加载试验，分析模型在交通荷载作用下的应力、位移、变形发展模式与破坏机理；

步骤二，确定软土地基条件下预制装配式综合管廊的建模方法，建立地下综合管廊结构力学分析模型；通过三维动力弹塑性有限元分析，分析相关因素影响下软土地基中预制管廊在非对称交通荷载作用下的结构内力随时间的变化特性；

步骤三，对典型接缝进行精细化建模分析，***研究典型接缝在非对称交通荷载作用下的受力和变形，分析管廊接头的损伤破坏机理、接缝破坏模式；

步骤四，建立实体模型，利用物理模拟分析实际交通荷载下预制装配式管廊典型结构的动力响应特征，全面反映实际交通荷载下软土地基中预制管廊三维空间的动力学特征，刻画管廊结构三维全空间中的受力变形特性。

7.如权利要求6所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，其特征在于，步骤二中，所述软土地基条件下预制装配式综合管廊的建模方法包括土体本构模型的选取、混凝土损伤塑性模型参数的确定、人工边界条件的建立、土-管廊相互作用的模拟以及交通荷载的输入方法。

8.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行如权利要求1-7任意一项所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法，包括下列步骤：

步骤一，通过对物理模型进行动力加载试验，分析模型在交通荷载作用下的应力、位移、变形发展模式与破坏机理；

步骤二，确定软土地基条件下预制装配式综合管廊的建模方法，建立地下综合管廊结构力学分析模型；通过三维动力弹塑性有限元分析，分析相关因素影响下软土地基中预制管廊在非对称交通荷载作用下的结构内力随时间的变化特性；

步骤三，对典型接缝进行精细化建模分析，***研究典型接缝在非对称交通荷载作用下的受力和变形，分析管廊接头的损伤破坏机理、接缝破坏模式；

步骤四，建立实体模型，利用物理模拟分析实际交通荷载下预制装配式管廊典型结构的动力响应特征，全面反映实际交通荷载下软土地基中预制管廊三维空间的动力学特征，刻画管廊结构三维全空间中的受力变形特性。

9.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求1-7任意一项所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法。

10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1-7任意一项所述交通荷载下管廊非线性动力与环境介质耦合的测定方法。

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