考虑土与结构相互作用下的地下结构反应位移法和结构破坏模式研究

发布时间：2020-08-26 20:43

【摘要】：城市轨道交通已成为世界各大城市公共交通的重要方式。通常认为地下结构的抗震性能要优于地面结构,但在1995年的日本阪神地震中,神户地铁车站破坏严重,我国2008年汶川地震中也有隧道破坏的事例发生,因此地下结构的抗震特性研究具有十分重要的意义。本文利用Abaqus二次开发Umat接口,编写等效线性黏弹性本构,在有限元软件中实现了等效线性分析;基于等效线性分析方法,考虑了柔度比、结构尺寸、结构埋深、结构形式、土体特性、地震动特性等因素的影响,对地震作用下地下结构在土体中的相互作用规律进行了系统性地探究;基于土与结构的相互作用规律,分析了传统反应位移法的误差来源,探索了结构的存在对于土体的影响范围,分析了误差结果,总结了柔度比对反应位移法计算中的影响规律,给出了传统反应位移法的适用刚度范围,提出了考虑土与结构相互作用的地下结构反应位移法,并对地铁车站工程实例进行计算分析,验证方法的有效性;最后,考虑地层和埋深因素的影响,利用推覆分析对不同形式的地下车站结构的破坏模式进行探究,对目前规范中采用的抗震设计指标进行了分析,给出设计过程中合理化的建议。本文主要取得的成果如下:(1)探索总结地震作用下土-结构相互作用响应规律。文中给出地震作用下地下结构转动系数α的定义方法,考虑不同因素的影响,探究土-结构相互作用规律,结果表明:在地震作用下,土与结构的刚度差异对其响应规律影响显著;柔度比F作为土与结构相对刚度的指标,可以合理地反映土与结构之间的刚度差异规律,柔度比偏离1越远,结构的变形和转动效应越明显;柔度比、泊松比、埋深是影响相互作用系数曲线和转动系数曲线的三个主要因素,其余因素的影响作用几乎可以忽略。(2)提出了考虑土与结构相互作用的地下结构反应位移法。文中对反应位移法的误差来源和误差结果进行分析,给出了新的抗震设计方法,结果表明:不同柔度比的结构影响范围不同,大约在距离结构侧边3倍结构宽度时,土体变形不再受结构的影响;柔度比越远离1,传统反应位移法的误差越大,传统反应位移法的适用范围大致在柔度比为0.5～2之间;文中给出的考虑土与结构相互作用的地下结构反应位移法计算方法简便,计算准确性提升明显,可以作为地下结构抗震设计的参考方法。(3)得出不同结构形式地下车站的破坏模式,给出抗震设计指标的合理性建议。结果表明:不同的结构在不同埋深、不同地层条件下,其破坏模式大体上相似,塑性铰均先出现在中板上,随着侧墙底部的屈服,侧墙顶部、中柱底部和顶部也进入塑性区,结构趋于破坏;埋深越大,结构弹性层间位移角和塑性层间位移角越小;地层条件越好,结构弹性层间位移角和塑性层间位移角越小;层间位移角限值用于判定地下结构弹性极限状态可能并不适用,对于塑性极限状态的判定可以认为基本适用,供实际工程设计参考。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU93;U231
【图文】：

在圆频率《的简谐荷载作用之下，应力应变关系曲线为楠圆形，如图２－１所示。逡逑文中Ｋｅｌｖｉｎ模型黏壶元件的粘性系数取值是依据阻尼比的概念来进行取值，逡逑阻尼比是指阻尼系数与临界阻尼系数之比，据此可以得出Ｋｅｌｖｉｎ模型的粘性系数逡逑为；７ｅ＝２ＧＤ／？，式中，Ｇ为剪切模量，０为阻尼比，《为模型圆频率，通过模型逡逑的应力应变关系来反映粘弹性模型的滞回特性和能量损失。逡逑２．１．１逦土体的最大剪切模量逡逑通常情况下，可以利用室内试验得出的经验公式来确定土体的最大剪切模量，逡逑或者利用波动理论，在现场进行剪切波速测试，来得到土体最大剪切模量Ｉ。逡逑Ｓｅｅｄ和１（１１＾３［６２］在上世纪７０年代通过大量实验确定了沙土的最大剪切模量的逡逑经验计算公式，如式２－２所示，经验公式法也主要是基于此发展而来。逡逑１＝２１．７尺咖户》０）０．５逦（２－２）逡逑式中，为标准大气压＆与相对密度有关，NB为平均主应力。逡逑例如，考虑了土体的孔隙比和固结度，Ｈａｒｄｉｎ［６３４！出了如２－３所示的经验公式，逡逑

等效线性方法需要通过手动输出各个土层的最剪应变对应的剪切模量比Ｇ／逦和阻尼比Ｄ新，重新进行计算。不断重复以上步骤，实现－３所示。逡逑析方法验证逡逑线性方法的有效性和实用性，本节基于北京据地质勘查报告，选取土层实际物理参数，采模型，应用编制的材料子程序进行一维场地与ＳＨＡＫＥ９１的计算结果进行对比，以此验证。逡逑建立逡逑

本文所采用的等效线性方法需要通过手动输出各个土层的最大剪应变，用插值方法求得等效剪应变对应的剪切模量比Ｇ／逦和阻尼比Ｄ，然后将外部文件中的数据进行更新，重新进行计算。不断重复以上步骤，实现等效线性分析体求解过程如图２－３所示。逡逑．３等效线性分析方法验证逡逑为了验证该等效线性方法的有效性和实用性，本节基于北京市地铁新机场桥站实际工程，根据地质勘查报告，选取土层实际物理参数，采用ＡＢＡＱＵＳ二维自由场地分析模型，应用编制的材料子程序进行一维场地地震反应的元分析，将计算结果与ＳＨＡＫＥ９１的计算结果进行对比，以此验证用有限元进效线性分析的可行性。逡逑．３．１数值模型建立逡逑

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 陈苏;陈国兴;戚承志;杜修力;王志华;;可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构地震反应特性振动台试验研究[J];岩土力学;2015年07期

2 安军海;李积栋;边金;黄凯平;;地铁车站侧墙大面积开洞接风道三维地震响应[J];北京工业大学学报;2015年01期

3 李新星;陈鸿;陈正杰;;地铁车站结构抗震设计方法的适用性研究[J];土木工程学报;2014年S2期

4 LIU JingBo;WANG WenHui;DASGUPTA Gautam;;Pushover analysis of underground structures:Method and application[J];Science China(Technological Sciences);2014年02期

5 刘晶波;王文晖;赵冬冬;张小波;;复杂断面地下结构地震反应分析的整体式反应位移法[J];土木工程学报;2014年01期

6 刘晶波;王文晖;赵冬冬;张小波;;地下结构抗震分析的整体式反应位移法[J];岩石力学与工程学报;2013年08期

7 耿萍;张景;何川;晏启祥;;隧道横断面反应位移法基本原理及其应用[J];岩石力学与工程学报;2013年S2期

8 董正方;王君杰;王文彪;姚毅超;;基于土层位移差的地下结构抗震反应位移法分析[J];振动与冲击;2013年07期

9 刘晶波;王文晖;赵冬冬;;地下结构横截面地震反应拟静力计算方法对比研究[J];工程力学;2013年01期

10 刘晶波;王文晖;张小波;赵冬冬;;地下结构横断面地震反应分析的反应位移法研究[J];岩石力学与工程学报;2013年01期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 王文晖;地下结构实用抗震分析方法及性能指标研究[D];清华大学;2013年

2 庄海洋;土—地下结构非线性动力相互作用及其大型振动台试验研究[D];南京工业大学;2006年

本文编号：2805672