地震波作用下土—地下结构动力相互作用分析

论文摘要

地下结构,尤其是隧道、地下综合管廊、地铁车站,是现代社会公共基础设施的重要组成部分,但地下结构形势复杂,空间尺度大,安全隐患不易发现且检修维护困难,尤其是沿海沿江地区土质软弱,大中城市地面建筑密集,地下管线系统错综复杂,因此其安全与功能设计显得尤为重要。本文主要采用数值模拟的方法,从粘弹性边界的创新角度,结合使用ABAQUS大型有限元分析软件和MATLAB编程软件,对上述地下结构进行了建模及地震响应分析。具体工作内容和成果包括以下几个方面。（1）地震波斜入射下层状场地中地下综合管廊地震响应分析使用ABAQUS大型有限元分析软件建立了不同场地条件下地下综合管廊分析模型,利用粘弹性人工边界和等效地震荷载时域波动输入方法,结合土层和半空间的精确动力刚度矩阵,实现了地震波斜入射下层状场地地下综合管廊地震反应分析。计算结果显示:地震波倾斜入射条件下,综合管廊结构地震响应与垂直入射时具有显著差异;地下综合管廊动应力集中主要分布在管廊角部、中柱上下端;成层土波速结构变化对地下综合管廊地震反应亦具有显著影响。（2）基于粘性-滑移界面接触模型的半空间隧道衬砌对平面P、SV波的散射运用MATLAB编程软件,基于粘性-滑移模型模拟隧道衬砌和围岩之间的接触状态,采用间接边界积分方程法求解弹性半空间中隧道衬砌对平面P、SV波的散射问题,重点考察了地表位移放大和衬砌动应力集中效应。结果表明:接触滑移边界的刚度系数和粘度系数对隧道衬砌的动应力分布影响较大,滑移刚度较小时,共振频率段动应力集中效果更加显著;随着粘度系数的增大,衬砌内部环向应力幅值逐渐减小。另外,刚度系数和粘度系数对隧道衬砌动力反应的影响程度也受控于入射频率和角度。（3）天津市Z2线地下车站结构地震反应模拟以天津市Z2线轨道交通工程做为案例,在上述土体分层、软弱复杂场地等的研究基础上,考察了基本烈度及大震作用下,天津滨海新区不均匀软土场地地下车站结构的抗震性能、车站结构的应力状态和位移反应、土-车站结构动力相互作用特征。模拟结果可为可液化地基上地铁地下结构的抗震设计提供依据。地下结构地基土的变形是地下结构震害的主要诱因,但大量的数值模拟研究忽略了土层和地下结构之间的粘结问题,导致动力分析时土体与结构之间切向和法向的应力传导失真。地下结构沿线地质条件变化对地下结构的抗震影响较大,当穿越软土层时,对地下结构带来的地震灾害更加严重。

论文目录

• 中文摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 地下结构地震反应的研究方法及研究现状
•     1.2.1 地下结构地震反应的特点
•     1.2.2 地下结构抗震问题分析方法
•   1.3 本文主要研究内容及意义
•   1.4 本章小结
• 第二章 地震波斜入射下层状场地中地下综合管廊地震响应分析
•   2.1 引言
•   2.2 层状场地倾斜入射地震波的输入方法
•     2.2.1 基于黏弹性边界的地震动输入方法
•     2.2.2 二维成层半空间场地的平面波倾斜输入方法
•     2.2.3 二维输入验证
•   2.3 计算模型及地震波的输入
•     2.3.1 模型参数
•     2.3.2 输入地震波
•   2.4 场地特性及地震波入射角度对地下综合管廊地震反应的影响
•   2.5 顶板中点和底板中点加速度时程
•   2.6 观测点应力状态
•   2.7 不同入射角度下管廊结构Mises应力分析
•   2.8 本章小结
• 第三章 基于粘性-滑移界面接触模型的半空间隧道衬砌对平面P、SV波的散射
•   3.1 引言
•   3.2 计算模型
•   3.3 计算方法
•     3.3.1 波场分析
•     3.3.2 边界条件及求解
•   3.4 数值算例
•     3.4.1 单频波入射下衬砌内外壁表面动应力集中因子
•     3.4.2 衬砌内外表面DSCF频谱分析
•     3.4.3 隧道上方地表位移幅值
•   3.5 本章小结
• 第四章 天津市Z2线地下车站结构地震反应模拟
•   4.1 引言
•   4.2 Z2 线地下车站结构地震反应计算模型
•     4.2.1 建模尺寸
•     4.2.2 网格划分
•     4.2.3 接触
•     4.2.4 输入地震波
•   4.3 位移分析
•     4.3.1 土体位移分析
•     4.3.2 地铁位移分析
•   4.4 地铁结构的Mises应力分析
•     4.4.1 地铁与地连墙之间非完全耦合
•     4.4.2 不考虑地连墙的影响
•   4.5 地铁结构在X、Y方向的最大拉应力和最大压应力
•     4.5.1 地铁结构与地连墙结构非完全耦合
•     4.5.2 地铁结构与地连墙结构完全耦合
•     4.5.3 不考虑地连墙的影响
•   4.6 地铁地连墙之间的滑移状态分析
•   4.7 地连墙结构的Mises应力以及X、Y方向的拉压应力
•   4.8 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结及创新点
•     5.1.1 主要研究成果
•     5.1.2 主要创新点
•   5.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及科研情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 梁清华

导师: 周晓洁,杜建军

关键词: 地下结构抗震,综合管廊,衬砌隧道,粘弹性边界,地震波斜入射,地下车站

来源: 天津城建大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程,建筑科学与工程

单位: 天津城建大学

分类号: TU43;TU990.3

DOI: 10.27355/d.cnki.gtjsy.2019.000007

总页数: 79

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