局部隔振大型交通枢纽结构的抗震性能及其数值方法研究

发布时间：2020-05-08 04:59

【摘要】：大型交通枢纽-高速铁路站房合建结构体系是近年来提出的一种新型城市综合交通枢纽体系。多种交通方式的汇集固然有利于旅客吞吐能力的提升,高速过站列车引起的振动却对上部结构内仪器设备的正常使用、人员工作和休息产生很大影响。优先采用振源控制的减振措施通常无法满足高速过站列车引发的振动控制需求,需要另外采用建筑物基础隔振措施。弹簧隔振支座是目前最有效的基础隔振设施,在建筑物基础与高铁站房顶板连接处设置竖向弹簧隔振支座,形成局部隔振的大型交通枢纽结构体系。局部隔振改变了大型交通枢纽结构的振动特性,并带来地震安全隐患。本文研究局部隔振大型交通枢纽结构在三向地震作用下的振动特性、变形特点、损伤机制以及场地耦合作用,并结合大型交通枢纽结构的损伤分布特点,针对大型非线性结构的高效动力分析方法开展研究。主要研究内容如下:首先,建立局部隔振结构的带弹性支承的分布梁模型,推导其竖向振型方程,通过分布梁模型的竖向振型和振型曲率分析局部隔振结构的振动特性和变形特点;建立某大型交通枢纽结构的有限元模型,分析局部隔振结构的振动频率、振动模态和有效振型质量,研究局部隔振对结构动力特性的影响;最后,通过三向地震作用下结构的加速度响应、结构变形、构件延性和滞回性能,研究局部隔振对大型交通枢纽结构的抗震性能的影响规律。其次,建立某局部隔振大型交通枢纽结构-场地耦合动力系统的数值模型,采用三维粘弹性人工边界和等效地震输入方法模拟场地波动,并验证其数值精度;通过场地波动传递路径上不同土层位置的加速度反应谱,研究场地耦合作用下局部隔振对场地波动传递的影响规律;通过局部隔振结构的加速度响应、结构变形、损伤分布,研究场地耦合作用下局部隔振对大型交通枢纽结构的抗震性能的影响规律。第三,针对大型交通枢纽结构的事先未知的非线性分布特性,提出自适应的动力弹塑性分析方法;建立线性子结构的拓扑方法和模态截断准则,分析子结构界面耦合作用对模态截断误差的影响规律,推导线性子结构在初始弹性阶段和塑性发展阶段的模型降阶过程;提出弹性残余状态持续时间的谱分析方法,研究弹性残余状态持时占地震动强震持时的比例及其影响规律,进一步推导非线性子结构在弹性残余状态阶段的模型降阶过程。最后,针对大型交通枢纽结构的自适应动力弹塑性分析方法,进行自适应子结构建模策略的软件程序开发,实现子结构抽象层的有限元建模技术;进行自适应动力弹塑性分析过程的软件程序开发,实现模型损伤状态触发的有限元重分析技术;通过算例结构的增量动力分析,验证结构在不同损伤状态的模型降阶效果,验证基于不同损伤状态的自适应动力弹塑性分析的数值精度和计算效率。
【图文】：

站房,交通枢纽,高速铁路,结构体系

客吞吐能力的提升，却也给大型交通枢纽的建设带来了诸多问题，首当其冲的便是高速铁路与上部结构的接驳问题。列车运行引起的振动和噪声可能对上部结构内仪器设备的正常使用以及人员休息、工作产生很大影响[1]。由于高速列车的停靠和高速过站需求，导致高铁站房至少为 2 站 4 线，跨度较大，并且大型交通枢纽具有柱网分布不均匀的特点，因此大型交通枢纽不宜直接跨越高速铁路站房，高铁线路区域的结构基础将与高铁站房顶板直接相连，形成大型交通枢纽-高速铁路站房合建结构体系。(a) 北京新机场(a) Beijing new airport

隔振,结构体系,平面示意图

低速轨道交通，如对线路周边建筑物的振动影响[2,3]、地铁车辆段上盖建筑振动[4]、地铁与建筑物合建振动问题[5]等，在高速列车引起振动影响方面的主要针对高速铁路高架桥[6]和高速铁路路基振动传播及影响[7]。目前尚无大通枢纽-高速铁路站房合建结构的高速列车振动影响研究，高速过站列车引振动直接通过高速铁路站房传播到上部结构基础，可能导致更为严重的振响。通常控制列车运行引起的振动问题，可在振源、传播路径和受振体这三节采取减振和隔振措施，振源减振是针对轨道和列车减振[8-11]，传播路径是在路径中设置隔振屏障[12-15]，受振体减振包括调整刚度、增大阻尼及隔措施[16-19]。由于高速列车的过站车速可达到 250~300km/h，在优先采用轨源的减振措施后仍然无法满足高速过站列车引发的振动控制需求，并且大通枢纽与高速铁路站房之间振动的传播路径较短，无法提供足够的空间实播路径上的隔振处理，因此需要采用建筑物基础隔振措施。弹簧隔振支座前最有效的基础隔振设施，可以在振源附近或者振动影响要求较高的局部设置竖向弹簧隔振支座，，形成三维空间局部隔振的大型交通枢纽-高速铁路合建结构体系。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU352.11

【参考文献】